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        E型鋼支座對(duì)鐵路簡(jiǎn)支梁橋隔震效果研究

        2010-07-27 02:53:56王月錢(qián)鐘鐵毅顧正偉張常勇
        鐵道建筑 2010年9期
        關(guān)鍵詞:簡(jiǎn)支梁橋鉛芯墩底

        王月錢(qián),鐘鐵毅,顧正偉,張常勇

        (北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,北京 100044)

        橋梁一旦在地震中發(fā)生破壞,會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)損失。近年來(lái),橋梁地震震害所帶來(lái)的教訓(xùn)是深刻的[1],特別是汶川地震和玉樹(shù)地震發(fā)生后,橋梁的抗震設(shè)計(jì)更加受到人們的廣泛關(guān)注。在橋梁抗震設(shè)計(jì)方法上,除了傳統(tǒng)的強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)外,減隔震技術(shù)在我國(guó)鐵路工程中也不乏應(yīng)用實(shí)例。目前,國(guó)內(nèi)外橋梁常用的減隔震支座有鉛芯橡膠支座、滑動(dòng)摩擦支座和E型鋼阻尼支座等幾種類型,其中對(duì)鉛芯橡膠支座的研究相對(duì)較多,如吳彬、莊軍生對(duì)鉛芯橡膠支座進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)[2],鐘鐵毅、楊風(fēng)利等對(duì)鉛芯橡膠支座在鐵路簡(jiǎn)支梁橋上的應(yīng)用進(jìn)行了研究[3-4],曾攀、張貞閣等對(duì)鉛芯橡膠支座在連續(xù)梁橋上的應(yīng)用進(jìn)行了研究[5-6]等,而對(duì)E型鋼阻尼支座的應(yīng)用研究較少。E型鋼阻尼支座與鉛芯橡膠支座相比,具有更好的耐久性,因此對(duì)其在鐵路橋梁的應(yīng)用進(jìn)行研究很有意義。本文基于有限元分析軟件SAP2000建立了不同墩高的鐵路簡(jiǎn)支梁橋模型,采用E型鋼阻尼支座對(duì)其減隔震效果進(jìn)行研究。得出了一些有價(jià)值的結(jié)論,可為同類橋梁的減隔震設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

        1 結(jié)構(gòu)分析模型及地震激勵(lì)的選取

        1.1 簡(jiǎn)支梁橋分析模型

        本文以某鐵路線8跨簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槔M(jìn)行計(jì)算分析,每跨簡(jiǎn)支梁跨徑均為32 m,除兩橋臺(tái)外,7座橋墩高度不等,變化范圍為21~58 m,各橋墩高度如表1所示。該橋上部梁體為 T形截面,采用C50混凝土,質(zhì)量500 t;橋墩均為空心圓端形變截面橋墩,采用C35混凝土。基于通用有限元分析軟件 SAP2000,采用墩底固結(jié),分別建立了各橋墩的未隔震和減隔震分析模型,如圖1所示。其中,墩身使用框架單元模擬,E型鋼阻尼支座使用連接單元模擬。

        表1 橋墩高度 m

        圖1 計(jì)算模型示意

        1.2 E型鋼阻尼支座力學(xué)模型

        E型鋼阻尼支座是將E型鋼阻尼元件與普通支座整合到一起得到的阻尼耗能連接結(jié)構(gòu),兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用。由于其結(jié)構(gòu)全部由鋼材制作而成,故E型鋼阻尼支座具有良好的耐久性。E型鋼阻尼支座結(jié)構(gòu)如圖2所示,其力學(xué)模型如圖3所示。

        圖2 E型鋼阻尼支座結(jié)構(gòu)

        圖3 E型鋼阻尼支座簡(jiǎn)化力學(xué)模型

        圖3中,F(xiàn)y為支座屈服力,F(xiàn)u為支座水平極限承載力;dy為支座的屈服位移,du為支座的極限位移;ku為支座的屈服前剛度,很明顯ku=Fy/dy,kd為支座的屈服后剛度,硬化比η=kd/ku。本文所有橋墩均采用相同參數(shù)的E型鋼阻尼支座,其基本力學(xué)參數(shù)如表2所示。

        表2 E型鋼阻尼支座基本力學(xué)參數(shù)

        1.3 地震激勵(lì)選取

        所選鐵路簡(jiǎn)支梁橋所處場(chǎng)地為Ⅱ類場(chǎng)地,按基本烈度8度設(shè)防。選取7條Ⅱ類場(chǎng)地實(shí)際地震記錄作為激勵(lì),沿順橋向加載,各地震波基本特性如表3所示。

        表3 Ⅱ類場(chǎng)地地震波記錄基本特性

        2 計(jì)算結(jié)果與分析

        2.1 隔震前后橋墩地震響應(yīng)對(duì)比

        不同墩高的橋墩未隔震時(shí)地震響應(yīng)與隔震后地震響應(yīng)隨墩高的變化如圖4和圖5所示。圖中橫坐標(biāo)為橋墩的高度,縱坐標(biāo)為墩底彎矩或墩底剪力。

        由圖4和圖5可知,在隔震前后,橋墩墩底彎矩和墩底剪力變化趨勢(shì)大致是隨著墩高的增大而增大。采用E型鋼阻尼支座以后,橋墩墩底彎矩和墩底剪力與隔震前相比都明顯降低,其中1號(hào)墩墩底彎矩的降低幅度最大,由未隔震前的5.04×104kN·m降低到隔震后的1.7×104kN·m,且墩底彎矩、剪力隨高度的變化趨勢(shì)與未隔震前相似。

        圖4 墩底彎矩與墩高的關(guān)系

        圖5 墩底剪力與墩高的關(guān)系

        2.2 隔震率變化規(guī)律

        各橋墩隔震率隨橋墩高度的變化如圖6所示。

        圖6 隔震率與墩高的關(guān)系

        從圖6可以看出,E型鋼阻尼支座對(duì)墩底彎矩的隔震率隨著墩高的增大大體上呈減小的趨勢(shì),且墩底彎矩的隔震率基本上都在50%以上。其中較矮的1號(hào)墩墩底彎矩的隔震率最大,達(dá)到66.29%,另外2,3,4號(hào)墩墩底彎矩的隔震率均在55%以上,而墩高最大為58 m的7號(hào)橋墩墩底彎矩的隔震率最小,其值為49.81%。E型鋼阻尼支座對(duì)墩底剪力的隔震率都在40%以上,其中較矮的1號(hào)墩墩底剪力的隔震率最大,數(shù)值為52.89%,而墩高最大為58 m的7號(hào)橋墩墩底剪力的隔震率最小,其值為42.49%。

        由墩底彎矩和墩底剪力隔震率的對(duì)比分析可知,E型鋼阻尼支座對(duì)彎矩的減隔震效果好于對(duì)墩底剪力的減隔震效果。對(duì)于不同墩高的橋墩,E型鋼阻尼支座的隔震效果相差較大。1號(hào)墩墩底彎矩的隔震率達(dá)到了 66.29%,而 7號(hào)墩只有 49.81%,相差了16.48%;1號(hào)墩墩底剪力隔震率達(dá)到52.89%與7號(hào)墩的42.49%相差了10.4%,這主要是由于橋梁的振動(dòng)周期不同所致。

        3 結(jié)論

        1)在地震作用下,橋墩墩底彎矩和墩底剪力都隨著墩高的增大而增大。采用E型鋼阻尼支座以后,橋墩墩底彎矩和墩底剪力與隔震前相比都明顯降低,其隨墩高的變化趨勢(shì)與未隔震時(shí)類似。

        2)E型鋼阻尼支座對(duì)墩底彎矩的減隔震效果和對(duì)墩底剪力的減隔震效果都隨著墩高的增大而減小。通過(guò)對(duì)墩底彎矩和墩底剪力隔震率的對(duì)比分析可知,E型鋼阻尼支座對(duì)墩底彎矩的減隔震效果要好于對(duì)墩底剪力的減隔震效果。

        3)對(duì)于不同高度的橋墩,E型鋼阻尼支座的隔震效果相差較大。本研究所采用的實(shí)例中,不同橋墩墩底彎矩的隔震率差最大達(dá)到16.48%,墩底剪力的隔震率差最大達(dá)到10.4%,這主要是由于橋梁振動(dòng)周期不同所致。因此,在進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)針對(duì)不同高度的橋墩采用不同參數(shù)的E型鋼阻尼支座,以達(dá)到優(yōu)化的墩底彎矩和墩底剪力的減隔震效果。

        [1]劉享,鐘鐵毅,楊風(fēng)利,等.鉛芯橡膠支座隔震鐵路簡(jiǎn)支梁橋參數(shù)影響研究[J].鐵道建筑,2007(5):1-3.

        [2]吳彬,莊軍生.鉛芯橡膠支座力學(xué)性能及其在橋梁工程中減、隔震應(yīng)用研究[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2004,25(4):138-140.

        [3]鐘鐵毅,楊風(fēng)利,吳彬.鉛芯橡膠支座隔震鐵路簡(jiǎn)支梁橋雙向地震響應(yīng)分析[J].中國(guó)鐵道科學(xué),2007,28(3):38-43.

        [4]楊風(fēng)利,鐘鐵毅,夏禾.鐵路簡(jiǎn)支梁橋減隔震支座設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化研究[J].鐵道學(xué)報(bào),2006,28(3):128-132.

        [5]曾攀,閻貴平.鉛芯橡膠支座動(dòng)力特性對(duì)連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響[J].鐵道學(xué)報(bào),2001,23(5):96-101.

        [6]張貞閣,鐘鐵毅,王麗.鐵路連續(xù)梁橋鉛芯橡膠支座的減隔震研究[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2003,13(5):41-45.

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