半中承式刚构桥地震响应分析

半中承式刚构桥地震响应分析

0高烈度地震灾害是因果报告,经地震是一种突然的、毁灭性的自然灾害，对人类社会构成了极其严重的威胁。据统计世界上每年要发生破坏性的强地震约为18次,中国属多地震国家,7级以上地震约10%发生在中国。近年来,全球地震活动频繁,而且多次破坏性地震都集中在大城市附近,造成了非常惨重的生命和财产损失。例如,1994年美国Northridge地震(M6.7)以及1995年日本阪神大地震(M7.2)导致的城市经济总损失分别为200亿美元,1000亿美元之多;2008年汶川大地震(M8),使69227名同胞遇难、17923名同胞失踪,造成大量建筑、公路桥梁破坏,直接经济损失8451多亿元。这几次地震灾害的共同特点是:由于桥梁结构工程遭到严重破坏,切断了震区交通生命线,造成救灾工作的巨大困难,使次生灾害加重,导致更巨大的经济损失。由于公路作为生命线工程,在震后救灾中起着巨大的作用,而桥梁在公路震后保持畅通起着关键性的作用。因此,对高烈度地震区域的桥梁结构进行有效地抗震保护显得非常迫切。目前,欧、美和日本等西方发达国家投入了大量的物力和财力研制性能卓越的隔震体系,用于保护在处于高烈度地震区中公路、桥梁结构的安全。1钢箱与桥面布置某跨河桥主桥采用两跨半中承式连续系杆拱桥,跨径布置为:2×89.25=178.5m;桥面全宽53.5m;横桥向共布置4榀拱肋;拱肋截面采用钢箱截面,截面尺寸1.8m×1.3m;拱轴线:桥面上采用二次抛物线,矢高18.75m,桥面下采用直线(见图1)。根据《地震安全性评价工作报告》,该桥所处场地50a超越概率10%峰值加速度为0.226g,特征周期0.56s;50a超越概率2%峰值加速度为0.434g,属于《中国地震动参数区划图》中的高烈度区。2主桥结构体系半中承式连续系杆拱桥造型美观,其双拱形状恰如大鹏展翅,其结构受力合理,配索方便,承担水平推力的纵向预应力索从设置在桥面的系梁内通过。但在抗震设计中若按常规设计方式即:中墩、拱座与基础固结,边墩处设滑动盆式橡胶支座将系梁与桥墩连接(计算模型简图见图2),势必会在地震荷载作用下,结构承受较大的地震力,且主要由中墩来承受,边墩提供的水平力仅为支座临界滑动摩擦力。针对该桥情况,在该桥抗震设计中提出了另一方案。主桥中墩采用铅芯隔震橡胶支座与盆式橡胶支座组成的分离式减隔震支撑体系。桥梁减隔震的基本思想是在上部结构与下部结构之间设置隔震层,使桥梁的一阶固有周期延长,避开地震时地面运动输入桥梁的卓越周期,从而使桥梁结构所承受的地震作用程度降低(计算模型简图见图3)。3结构受拉设计及验算为了在设计中确定方案,在本桥抗震设计中利用有限元分析程序Midas/Civil对该桥建立空间模型,分别按常规设计方案(简称方案1)和减隔震设计方案(简称方案2)进行地震作用下的结构受力分析。根据新的桥梁抗震细则规定,本桥属于特殊桥梁的抗震设计,支承连接条件应采用能反映支座力学特性的单元模拟。模型中活动盆式支座采用程序中提供的“滞后系统”来模拟,程序采用双线性力学模型来模拟铅芯橡胶支座。由于减隔震装置的非线性,根据文献,计算时采用非线性动力时程分析方法。参照一般桥梁的抗震计算,对2个方案均进行了E1,E2水准地震作用下的结构验算;由于规范要求拱桥的拱圈和基础在E2水准地震作用下基本不发生损伤,故本篇仅对E2水准地震作用下结构的受力状况进行验算和对比分析。3.1自振振型结构根据建立的动力计算模型,采用子空间迭代法求解桥梁结构动力特性。该桥共计算了100阶频率和振型,由于一般情况下结构前几阶自振频率和振型起控制作用,限于篇幅,只给出了该桥梁前3阶振动频率和前3阶振型,结构的自振振型见图4～6。从表1中可以看出,方案2的自振周期相对于方案1的自振周期明显延长,特别是纵向自振周期。3.2边墩基础弯矩情况基础内力最大响应统计见表2,结构位移最大响应统计见表3。由表2可以看出,E2水准地震作用下,方案2较方案1中墩基础的水平力最大减震69%,弯矩最大减震79%。同时,边墩的水平力和弯矩有所提高,但通过验算,顺桥向和横桥向弯矩均小于桥墩底部屈服弯矩(35000kN.m)。另外,方案2较方案1整个结构的位移相对增大(见表3),其中中墩拱座底顺桥向位移由7mm增大至116mm,需对位移采取有效措施。3.3结构体系设计主要构件内力最大响应统计见表4。表4中拱圈1为拱圈与拱座固结处截面,拱圈2为拱圈与系梁相交处拱圈截面,系梁为拱圈与系梁相交处系梁截面。由表4可以看出,E2水准地震作用下,方案2较方案1主要构件弯矩最大减震89%,而且方案1主要构件的弯矩均大于该构件的承载能力,需增加构件的截面尺寸和配筋率,方案2各构件均满足要求。由于该桥具有景观桥的特点,桥面以下部分的拱肋尺寸方案1需增大至3.5m×2.5m,极大地影响了该桥的整体效果。通过以上结构计算分析与对比,兼顾景观效果,最终通过评审确定抗震设计采用方案2。4主桥结构设计及结构优化方案2的实施,要求隔震层具有较小水平刚度,同时应具备如下特性:(1)一定的柔度(柔性支承)。用来延长结构周期,降低地震力。(2)耗能能力(阻尼、耗能装置)。限制支承面处的相对变形,以使位移在设计允许的范围内。(3)一定的刚度、屈服力。在正常使用荷载下(如风,制动力等)结构不发生屈服和有害振动。铅芯橡胶支座可以满足上述功能,且具有制造简单,性能良好稳定,成本低的优点。但由于该桥中墩所需支座竖向承载力较大(最大反力为35400kN),若支撑体系全部采用铅芯橡胶支座,则会造成支座尺寸较大,带来产品加工、安装施工以及维修更换等一系列难度的增加,为解决这些问题,本次设计中采用了铅芯隔震橡胶支座与盆式橡胶支座组成的分离式减隔震支撑体系。利用盆式橡胶支座承载能力大、水平位移量大、转动灵活等特点,分担部分竖向力,减少铅芯橡胶支座尺寸。采用该种分离式减隔震支撑体系后,铅芯橡胶支座主要作用:承担部分竖向力;地震时提供恢复力、抵抗运行中微动、滞回耗能。盆式橡胶支座主要作用:承担部分竖向力;摩擦耗能。因此,为使铅芯橡胶支座与盆式橡胶支座在运营过程中能够共同承担竖向力,应注意以下问题:(1)支座生产厂家应对提供的铅芯橡胶支座、盆式橡胶支座竖向刚度进行准确标定,以便施工时对支座进行分组。(2)施工单位在安装支座时,应严格控制支座安装高度与水平度。在E2水准地震作用下,通过计算分析对比,可以看出无论是上部结构还是下部结构,方案2较方案1地震力均有较大程度的减小,但方案2结构位移相对较大。在后期的设计中,针对方案2,采取了三方面的措施,对该桥进行了抗震优化设计:(1)在边墩设置4个纵向和4个横向的黏滞阻尼器,总共16个,控制E2水准地震作用下结构的位移;(2)增大伸缩缝间隙,采用伸缩距离更大的伸缩缝装置,并在梁端设置避免硬性碰撞的缓冲材料;(3)将原拱圈钢箱全部填充混凝土改为最短2根吊杆之间的钢箱采用空钢箱,短吊杆以下钢箱填充混凝土。通过验算,这样既可以保证拱圈在正常使用情况下满足要求,又能减少桥面以上结构的质量,从而减少地震作用下结构的内力和位移,结果见表5。主桥中墩支撑体系位于正常水位下,为防止河水浸入对支撑体系造成损害,设计中采取中墩承台四周设置防水隔墙;顶部设置密水盖板;内部底板设集水坑(同时设置潜污泵,及时排出室内积水)等措施。为方便以后检修,在密水盖板上同时设置检查口,因此,在防水隔墙与密水盖板的施工各环节中应细致认真,确保其密实闭性。5拱肋承台尺寸调整根据分析结果,对下、上部结构进行了验算。结果表明,为满足抗震要求,方案1下部基础应在方案2基础上增加8根桩基,承台尺寸相应增大;桥面以下拱肋尺寸需由方案2的,2.4m×2m改为3.5m×2.5m,并相应增加截面配筋率;与拱肋相交处附近系梁应增加配筋率。方案1,2在以上各部分的工程量和造价见表6,从表6中可以看出,方案2比方案1可以节省造价约占该部分造价的13%,减少了工程造价,提高了社会经济效益。6结构性能分析方案1,在E2水准地震作用下,中墩在顺桥向和横桥向中的底部剪力过大,导致基础产生剪切破坏及脆性破坏,主要受力构件弯矩也均大于其承载能力,极大地威胁到桥梁的安全性,需增大截面尺寸和基础尺寸,同时提高配筋率。方案2,铅芯橡胶支座的应用有效地延长了结构的自振周期;通过耗能减震大大减少了下部结构的剪力和弯矩,提高了桥梁安全性;改善了边墩、中墩地震水平力差异较大的问题,使得每个桥墩的纵向和横向地震力更加均匀,在保证桥梁结构安全的同时优化了结构尺寸,取得了优异的减隔震效果。中墩处采用先进的分离式减隔震技术,解决了竖向承载能力大导致铅芯支座尺寸过大的问题;黏滞阻尼器和铅芯橡胶支座的组合应用,确保桥梁整体及构件在各水准地震设防下的性能和目标的实现。和一般梁式桥梁的抗震分析比较,半中承式系杆拱桥除应保证下部结构的安全外,还应对拱圈和系梁的特殊截面加强验算分