钢箱拱肋系杆拱桥减隔震方案研究

钢箱拱肋系杆拱桥减隔震方案研究

1拉索减隔震自动支护近几十年来，减面地震技术作为提高结构抗疲劳动性能的技术，得到了广泛应用。减隔震技术的基本工作机理为:①采用柔性支承延长结构周期,减小结构地震反应;②采用阻尼器式能量耗散元件,限制结构位移。桥梁减隔震设计中最重要的是减隔震装置的合理设计,目前应用最为广泛的减隔震装置是减隔震支座。国内外学者对于不同形式的减隔震支座在桥梁中的应用做了许多研究。常用的减隔震支座有分层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦型减隔震支座和高阻尼橡胶支座等。分层橡胶支座的滞回曲线呈狭长形,阻尼较小;铅芯橡胶支座是在分层橡胶支座中部插入铅芯而形成的隔震装置,能够提供地震下的耗能能力,但由于存在承载能力较小和生产使用过程中对环境产生污染等问题,铅芯橡胶支座在使用上受到一定的限制;盆式支座具有承载能力强、摩擦系数小和水平伸缩位移大等优点,但该类支座没有自恢复的能力,支座的地震响应的可靠性得不到有效的保证;FrictionPendulumIsolation(FPI)是将滑动支座和钟摆的概念相结合形成的一种新型减隔震支座,具有较好的滞回耗能性能并可由结构自重提供自复位能力,但由于其工作特性,其发生水平位移的同时会产生一定的竖向位移,所以无法与其他类型的支座混合使用,同时由于造价方面的原因,一般用于大跨度桥梁中,在中小跨径桥梁中应用较少。拉索减震支座是一种新型的减隔震支座,是在盆式支座的基础上开发的,保留了盆式支座水平位移量大和竖向承载力强的优点;同时拉索的限位作用明显,可有效地防止落梁的发生。系杆拱桥结构自重较大,采用减隔震设计方案时往往需要竖向承载能力的减隔震支座才能满足要求,因此板式橡胶支座和铅芯隔震支座往往不能满足要求,需要考虑选择承载能力较强的支座作为拱桥减隔震方案设计的支座本文针对一座跨径105m的钢箱拱肋系杆拱桥工程实例,分别在顺桥向和横桥向输入地震动,采用非线性时程分析方法计算其地震响应,分析拉索减震支座在拱桥中应用的减隔震效果,并得出相应的结论2拉索震动支柱拉索减震支座属于摩擦型减隔震支座,其支座结构形式如图1所示。经过试验研究,支座的滞回曲线如图2所示。拉索减震支座既发挥了滑动摩擦耗能的功能,又通过拉索的限位保证了支座和梁体在正常范围内工作,支座具有较强的经济适用性。在桥梁结构的动力计算模型中,拉索减震支座也可得到合理的模拟,有限元模型中恢复力特性模型如图3所示,其中K1为摩擦支座的刚度,K2为拉索的水平刚度,D为拉索的初始自由行程。3高墩墩受拉压设计主桥为跨径105m的钢箱拱肋系杆拱桥,左右因桥为3m×25m三跨连续梁桥。主桥分为两幅,单幅桥面宽16.5m主桥共有四片钢箱拱肋,两个边摃肋分别支承在两个边墩上,两个中拱肋共同支承于一个中墩上,中墩和两个边墩支承于同一个承台和群桩基础。边墩和中墩均为变截面矩形墩,边墩墩底截面尺寸为4.4m×2.5m,中墩墩底截面尺寸为7.2m×2.5m,群桩基础采用34根直径1m、长50m的摩擦型钻孔灌注桩。本文针对主桥的减隔震方案设计进行研究,考虑边界条件影响,建立有限元模型时考虑左右引桥对于主桥的影响,对全桥建立有限元模型进行分析。采用美国加州大学伯克利分校的结构分析软件SAP2000建模分析,计算模型如图4所示,主桥桥墩从左至右编号为P1和P2。有限元模型中,拱肋、系梁、横梁、桥墩均采用梁单元模拟,群桩基础考虑桩基周围土体的约束,采用承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩土相互作用,弹簧刚度值由“m法”计算确定。4种人工地震波的应力谱特性该桥位于地震烈度Ⅶ度区,根据《城市桥梁抗震设计规范》进行抗震设计,主桥抗震设防标准为乙类,确定罕遇地震反应谱曲线,如图5所示,特征周期为0.65s,最大地震峰值加速度为0.495g。通过拟合得到三条人工地震波,如图6—图8所示。图9—图11为三条人工波所对应的反应谱和目标反应谱的比较。由比较图可以看出,三条人工波的特性均能较好地反映目标反应谱,故可采用这三条人工波进行地震响应计算,计算结取取三条波计算结果的包络值。5中墩、边墩、顺桥向输入地震动设计常规设计下,纵桥向主桥P1中墩和两个边墩均为固定墩,P2中墩和两个边墩为活动墩;横桥向P1中墩和P2中墩为固定墩,P1两个边墩和P2两个边墩为活动墩。由于所处场地的地震动峰值加速度较大,按照常规设计方案时固定墩的地震响应较大,往往需要增加截面配筋以提高易损构件的能力来满足力来满足地震需求,较不经济,故应考虑采用减隔震方案进行抗震设计。为进行比较分析,本次研究采用以下三个减隔震方案,如表1所示。在Sap2000有限元模型中,拉索减震支座采用plasticwen单元和multilinearelastic单元组合进行模拟。根据试验和理论研究的成果可对拉索减震支座的尺寸和支座特性的计算并进行确定,拉索减震支座的参数如表2所示。由表3可知,顺桥向输入地震动,常规设计P1中墩和边墩为固定墩,桥墩的剪力和弯矩均明显大于P2墩,而采用减隔震设计后,P1和P2墩共同承担地震力,P1和P2中墩和边墩的墩底剪力和弯矩相近,原固定墩P1中墩的剪力和弯矩明显减小。横桥向输入地震动时,P1墩和P2中墩为横向固定墩,P1边墩和P2边墩为活动墩,故中墩剪力和弯矩明显大于边墩,采用减隔震方案设计后中墩的地震响应明显减小,边墩的地震响应有所增加。由于两片中拱肋同时支承于中墩上而两片边拱肋分别支承于两个边墩,故中墩的地震响应基本为边墩的地震响应的两倍左右。由此可见,采用减隔震设计可有效地减小固定墩的地震响应,从而有效地保护固定墩及基础。图12为地震动顺桥向输入时支座顺桥向剪力。图13为地震动横桥向输入时支座横桥向剪力。表4为地震动顺桥向输入时支座顺桥向位移。表5为地震动横桥向输入时支座横桥向位移。表6为地震动顺桥向输入时拉索支座的拉索的顺桥向拉力。表7为地震动横桥向输入时拉索支座的拉索的横桥向拉力。与拉索的极限承载力相比,每个方案中拉索的内力均小于拉索承载力,故拉索均在线弹性范围内工作,满足拉索减震支座的设计要求。减隔震方案设计中,支座的剪力和位移响应是一对矛盾关系。顺桥向输入地震动,方案1、方案2和方案3的支座位移分别为10.7cm、20.2cm和23.3cm;横桥向输入地震动,方案1、方案2和方案3的支座位移分别为10.7cm、20.3cm和26.9cm。方案3中,主桥的顺桥向和横桥向支座位移均小于30cm,且支座剪力为摩擦型支座的屈服力,说明方案3中拉索并没有发挥作用,方案1和方案2中支座的位移均有效地控制在拉索的初始自由行程的范围内,同时支座的剪力也明显大于方案3,说明方案1和方案2中拉索有效地发挥了限位作用,有效地控制了墩梁的相对位移。同时由于方案1的限位效果比方案2更佳,故方案1的支座剪力明显大于方案2。地震作用下,桥墩和基础是能力保护构件,需验算其能力需求比,要求墩和桩的最不利截面的能力需求比大于1。采用Ucfyber软件建立P1和P2中墩和边墩的墩底截面、P1和P2基础单桩截面,根据地震响应分析截面的能力,从而得到地震作用下墩桩的能力需求比。图14和图15是顺桥向输入地震动时墩和桩的能力需求比的对数值;图16和图17是横桥向输入地震动时墩和桩的能力需求比的对数值。方案3中拉索的初始自由行程控制在30cm,P1和P2墩和桩基础的地震需求明显减小,但同时应注意到该方案墩梁相对位移过大。方案1中拉索自由行程控制在10cm,可以有效地保证墩梁相对位移控制在10cm,但是由墩和桩的验算结果可看出,在顺桥向输入地震动时P1和P2墩桩基础的最不利单桩的能力需求比的对数值小于零,即最不利单桩的能力需求比小于1,桩基础会在地震作用下发生破坏,不满足抗震要求。方案2中拉索自由行程控制在20cm,可有效保证墩梁相对位移控制在20cm的水平,同时与方案1相比,在顺桥向和横桥向输入地震动时,P1和P2墩和桩基础的能力需求比均有所提高,满足能力需求比大于1的要求,易损构件在该强度等级的地震作用下是安全的。由此可见,在拉索支座方案的选择中,需要控制自由行程以保证在进行有效限位的同时又不会使墩和桩因拉索的限位作用所产生的过大地震响应而破坏6结构体系的设计(1)地震作用下,采用常规设计的拱桥固