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        E型鋼阻尼支座在橋梁減震中的應(yīng)用

        2011-02-05 00:38:22梁偉李寧
        四川建筑 2011年1期
        關(guān)鍵詞:橋梁設(shè)計(jì)

        梁偉,李寧

        (西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都610031)

        5·12汶川地震以來橋梁工程的抗震設(shè)計(jì)引起了人們的高度重視,目前提高橋梁抗震性能的方法主要有:①通過改善結(jié)構(gòu)自身的抗震性能(強(qiáng)度、剛度、延性)來減小地震危害;②對結(jié)構(gòu)施加控制裝置,由控制裝置與結(jié)構(gòu)共同承受地震作用。相對于第一種方法,對結(jié)構(gòu)施加控制裝置的方法將能更經(jīng)濟(jì)、有效地提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。

        本文主要以建造在II類場地、8度地震烈度區(qū)廈門—深圳線的尚書特大橋?yàn)槔?,針對其在設(shè)計(jì)地震烈度和罕遇地震烈度下,分別進(jìn)行了地震響應(yīng)時(shí)程分析;分析中分別就有無E型鋼阻尼支座的兩種工況進(jìn)行了討論。通過上述分析及討論,研究了減隔震技術(shù)在橋梁上的應(yīng)用產(chǎn)生的效果。

        1 E型鋼阻尼支座介紹

        E型鋼阻尼支座(圖1所示)是在彈塑性鋼阻尼器的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種新型軟鋼支座。該支座將E型鋼阻尼器與普通支座整合到一起,使之兼有豎向支撐和水平滯回耗能的作用,并具有結(jié)構(gòu)形式簡單、外形美觀、便于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

        圖1 E型鋼阻尼支座

        E型鋼阻尼支座的力學(xué)機(jī)制實(shí)質(zhì)上就是通過E型鋼塑性變形來消耗地震能量,其耗能的原理是利用具有低屈服點(diǎn)的金屬材料在發(fā)生塑性變形時(shí)不至發(fā)生應(yīng)變集中,并且屈服比越小,塑性區(qū)面積越大,地震時(shí)耗散能量越明顯。

        2 分析模型的建立

        尚書橋是簡支梁橋,建立全橋模型似乎并不完全必要。為了達(dá)到本項(xiàng)研究的目的,同時(shí)節(jié)省運(yùn)算時(shí)間,我們選取了一個(gè)具有不同墩高的4跨典型橋梁模型開展地震響應(yīng)分析。墩底的邊界條件為考慮墩土相互作用,地震荷載僅施加在橋的縱向。為了進(jìn)行時(shí)程分析,我們選用了El Centro地震波,同時(shí)考慮了兩種地震烈度對橋梁的作用:⑴設(shè)計(jì)地震烈度;⑵罕遇地震烈度。

        2.1 工程實(shí)例

        廈-深線尚書特大橋?qū)儆阡摻罨炷梁喼Я簶?,?9跨組成,包括1×24 m和54×32 m簡支梁及(40+2×56+40)m四跨連續(xù)梁。墩高從3 m至10 m不等,基礎(chǔ)由摩擦樁群組成。梁體截面為箱型梁,梁體由盆式支座支撐在墩上,一端是固定支座,另一端只允許梁體在橋的縱向發(fā)生位移。

        2.2 有限元計(jì)算模型的建立

        此橋全部采用梁單元建模,取全橋的2、3、4、5跨進(jìn)行分析。4跨模型總共58個(gè)單元,其中主梁16個(gè)單元,墩及承臺26個(gè)單元,其余為支座連接單元和支座墊石單元。其中橋墩的編號從左到右依次為2#、3#、4#、5#和6#;主梁的編號從左到右依次為2#、3#、4#、5#(見圖2)。E型鋼阻尼支座模型在MIDAS里用一般連接模擬。在初始的地震響應(yīng)分析中,樁用梁單元進(jìn)行模擬,樁基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)的相互作用直接采用彈簧單元模擬。

        圖2 有限元計(jì)算模型

        3 地震記錄的選用

        為了檢驗(yàn)近源地震波的影響,選取El Centro波,并根據(jù)尚書橋所在地理位置的場地類型按照規(guī)范的設(shè)計(jì)譜對其加以修正,使修正后的地震波生成的加速度反應(yīng)譜曲線與該地區(qū)的設(shè)計(jì)譜曲線達(dá)到基本相符合。根據(jù)規(guī)范查得尚書橋設(shè)防烈度為8度,Ⅱ類場地。按設(shè)計(jì)地震水平地震基本加速度為a=0.2g,修改的地震波記為修正的El Centro波。圖3顯示了修改后的El Centro波。圖4、圖5顯示了修正Elcentro波反應(yīng)譜與該地的設(shè)計(jì)譜的對比。

        圖3 修正的Elcentro波

        圖4 修正的Elcentro波生成的反應(yīng)譜

        圖5 該地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)譜

        由圖4、圖5對比可以看出,按場地類別及設(shè)計(jì)地震水平地震基本加速度值修正的地震波,得到的地震反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)譜基本吻合。因此經(jīng)修改后得到的地震波可作為尚書特大橋計(jì)算地震響應(yīng)的地震波。

        4 計(jì)算結(jié)果和分析

        4.1 計(jì)算理論

        在本分析中,采用了時(shí)程分析方法,其控制動力方程如下:

        式中:[M]是質(zhì)量矩陣;[C]是阻尼矩陣;{F}是不平衡力矩陣;是地面加速度。在無E型鋼阻尼支座時(shí),考慮橋梁的地震響應(yīng)為線彈性響應(yīng),當(dāng)有E型鋼阻尼支座時(shí),考慮橋梁的地震響應(yīng)為非線性響應(yīng),但是非線性響應(yīng)僅來自于E型鋼阻尼支座。

        在分析中,采用了集中質(zhì)量矩陣。阻尼直接采用了瑞利阻尼,如式(2)所示,式中α和β可由特征向量分析產(chǎn)生的頻率和模態(tài)阻尼確定。

        式中:[M]是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣;[K]是結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;α為質(zhì)量因子;β為剛度因子。

        式中:ξ為阻尼比;ωi與ωj分別為第i階和第j階模態(tài)的自振頻率。

        4.2 有限元結(jié)果和分析

        (1)限于篇幅僅列出橋梁布置E鋼阻尼支座的最大內(nèi)力(罕遇、設(shè)計(jì)),如圖6~圖9所示。

        (2)以4號墩上的E型鋼阻尼支座為例,研究在受地震作用時(shí)阻尼支座的耗能特性。滯回曲線的面積表示支座內(nèi)力所做的功,即為耗散的地震能量。圖10、圖11顯示了E鋼阻尼支座良好的耗能特性。

        (3)為了實(shí)際說明E鋼阻尼支座的減震效果將墩底受力列于表1。

        圖6 設(shè)計(jì)地震下的最大彎矩(kN·m)

        圖7 設(shè)計(jì)地震下的最大剪力(kN)

        圖8 罕遇地震下的最大彎矩(kN·m)

        圖9 罕遇地震下的最大剪力(kN)

        圖10 設(shè)計(jì)地震滯回曲線

        注:6號墩未布置阻尼支座

        圖11 罕遇地震滯回曲線

        5 結(jié)論

        從分析數(shù)據(jù)可以看出:

        (1)E型鋼阻尼支座在縱橋向能有效地減小橋墩的彎矩,最大能夠減小約50%;對于墩的最大剪力而言,雖然E型鋼阻尼支座也能有效降低剪力,但效果不明顯。

        (2)E型鋼阻尼支座適合于不同高度的橋墩。且無論是設(shè)計(jì)地震還是罕遇地震,E型鋼阻尼支座都能夠發(fā)揮良好的減震效果。

        (3)E型鋼阻尼支座的滯回曲線顯示了它良好的耗能作用,且越是大的地震力作用,耗能效果體現(xiàn)的越明顯。

        (4)在不同烈度區(qū),不同場地對尚書橋進(jìn)行計(jì)算分析(數(shù)據(jù)限于篇幅本文未列出),E鋼阻尼同樣有良好的減震耗能效果。

        [1]周云,宗蘭.土木工程抗震設(shè)計(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,2003

        [2]彭俊生,羅永坤.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2005

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