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        設(shè)置VFD的大跨度鋼梁拱組合橋減震分析

        2016-08-10 09:08:36黃瑋福建省建筑科學(xué)研究院福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室福州350025
        福建交通科技 2016年3期
        關(guān)鍵詞:墩底主墩墩頂

        ■黃瑋(1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室,福州350025)

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        設(shè)置VFD的大跨度鋼梁拱組合橋減震分析

        ■黃瑋1,2
        (1.福建省建筑科學(xué)研究院;2.福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室,福州350025)

        為研究VFD對橋梁結(jié)構(gòu)的減震效果,本文以一大跨度鋼梁拱組合橋為研究對象,分析了其動力特性,并得到環(huán)境振動試驗驗證,進而對E1和E2兩階段地震作用下,橋梁的彈塑性地震響應(yīng)進行了計算,分析結(jié)果表明,該橋設(shè)置粘滯阻尼器后對墩底內(nèi)力和墩頂位移都起到良好的減震效果,使橋梁能較好滿足預(yù)期的設(shè)計需要。

        大跨度鋼梁拱組合橋抗震性能動載試驗VFD減震

        1工程概況

        抗震性能研究對橋梁工程的發(fā)展有著相當(dāng)?shù)闹匾裕?~3]。福建地處環(huán)太平洋火山地震帶,屬國內(nèi)地震多發(fā)地區(qū)之一,本文對福建一座大跨度鋼梁拱組合橋進行了彈塑性有限元抗震分析。該橋主橋為上承式鋼梁拱組合橋梁,詳見圖1。橋跨布置為50+160+50=260m。

        上部結(jié)構(gòu)雙幅分離,兩幅橋間距1m,單幅橋?qū)挒?7.75m,全橋總寬度為36.5m。中跨拱肋拱軸線矢高為10m,矢跨比為1/16,邊跨拱肋拱軸線矢高為1m,矢跨比為1/50。

        下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁基礎(chǔ),為混凝土結(jié)構(gòu)。上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間采用豎向支座相連,單幅橋約束主3號墩兩個支座的縱橋向位移,及每個墩的內(nèi)側(cè)支座的橫橋向位移。為防止過渡墩支座出現(xiàn)脫空,過渡墩支座采用拉壓球型支座。同時,為了改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,主橋設(shè)置了減震措施,采用了粘滯阻尼器。

        設(shè)計荷載:汽車荷載為公路-I級,參考城市-A級。人群荷載按3.5kN/m2計入,人行道寬度取5.5m。

        主墩及其基礎(chǔ)為雙幅橋整體結(jié)構(gòu),由墩身、墩座、立柱、承臺和樁基等構(gòu)造組成。

        主墩墩身為縱橋向?qū)?.5m的等寬墩身,橫橋向?qū)?7.0m,墩身頂面高程為7.7m。墩身采用C40混凝土。主墩墩座縱橋向的橫斷面形狀為小半圓形,橫橋向端頭為球面,圓形表面及球面的半徑均為5.375m,墩座外形的延伸虛擬頂點高程為5m。墩座采用C40混凝土。

        主墩承臺為帶圓頭的矩形承臺。承臺長度為57.95m,寬度為12.7m,承臺圓頭的直徑即為承臺寬度12.7m,承臺厚3.5m。承臺采用C35混凝土。

        圖1 上承式梁拱組合鋼橋

        每個主墩基礎(chǔ)采用28根變截面鉆孔灌注樁,樁底直徑為2.0m,樁頂直徑為2.2m。樁基按嵌巖樁設(shè)計,采用C35水下混凝土。樁基鋼護筒內(nèi)徑為2.2m,壁厚為25mm,采用Q345C鋼。鋼管與混凝土共同參與受力,為了保證其協(xié)調(diào)受力性能,在鋼管內(nèi)壁焊接凸起的剪力板,同時,在樁頭設(shè)置預(yù)埋鋼筋與鋼管焊接。為保證鋼護筒的耐久性,需對鋼護筒進行防腐處理。

        2動力特性分析

        動力特性分析是橋梁抗震分析的基礎(chǔ)。本文采用完整二次項振型組合法(CQC),可考慮結(jié)果振型分布密集時的耦聯(lián)作用。前20階振型參與質(zhì)量達到99%,滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)所規(guī)定的大于90%。

        為驗證模型的可靠性,進行了動載試驗測試該橋的自振特性。在行車道邊緣布置加速度傳感器,測點布置詳見圖2。利用橋梁結(jié)構(gòu)在各種隨機環(huán)境激勵(包括日常隨機車輛、行人、天然風(fēng)、水流、地脈動等組合)下引起的振動響應(yīng),采集響應(yīng)的加速度信號。本次試驗采樣頻率為100Hz,采樣時間為20min。

        實測振動響應(yīng)信號經(jīng)試驗?zāi)B(tài)分析,得到橋梁的豎向基頻,見表1及圖3~圖4。橋梁環(huán)境振動測試結(jié)果表明,實測基頻為1.76Hz,理論基頻1.64Hz,橋梁實測豎向一階振動振型與有限元理論計算結(jié)果基本吻合,模型計算結(jié)果合理可靠。

        圖2 測點布置圖

        表1 自振頻率實測和理論值匯總表

        圖3 實測豎向一階振型圖

        圖4 理論豎向一階振型圖

        3減震性能分析

        該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度值為0.15g,按《中國地震動反應(yīng)譜特征周期區(qū)劃圖》[5]查的場地特征周期為:0.45s。場地類別為II類場地。單跨跨度超過150m應(yīng)按9度構(gòu)造措施設(shè)防。

        本文分別采用反應(yīng)譜方法和時程分析法對橋梁E1 和E2地震作用下的響應(yīng)進行計算,兩者相互校驗。采用時程分析方法時,根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2011)[6],由Midas地震波數(shù)據(jù)庫中,地震波的頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間三要素選取了兩條實錄波和一條人造波輸入,并取最大地震響應(yīng)進行驗算。時程分析中,恒載采用非線性靜力法分析;地震作用采用非線性直接積分法分析。

        E1地震作用下構(gòu)件處于彈性狀態(tài),強度滿足設(shè)計要求。E2地震作用下,設(shè)置粘滯阻尼器后,地震時程對比圖詳見圖5~圖6及表2~表3,墩底彎矩最大降低54.4%,墩底剪力最大降低45.28%;墩頂位移縱向最大降低41.44%,橫向最大降低11.11%。

        通過對比,在E1和E2地震作用下,時程分析法中墩頂截面內(nèi)力、樁頂截面內(nèi)力、支座反力、墩頂位移和支座位移相互校核,誤差均在20%的容許范圍之內(nèi),且滿足限值要求。

        圖5 墩底彎矩地震時程圖

        圖6 墩頂位移地震時程圖

        表2 墩底內(nèi)力減震對比表

        表3 墩頂位移減震對比表

        4結(jié)論

        本文采用Midas軟件,對福建地區(qū)某大跨鋼梁拱組合橋進行了動力性能分析,并與動載試驗結(jié)果相互驗證。分析結(jié)果表明,設(shè)置粘滯阻尼器后,最大可減低54%墩底內(nèi)力,41%墩頂位移,減震效果良好。在E1地震作用下,全橋構(gòu)件滿足強度設(shè)計要求;在E2地震作用下,能力保護構(gòu)件亦滿足規(guī)范要求。該橋具有足夠的抗震能力,能較好滿足預(yù)期的設(shè)計需要。

        [1]何波,朱宏平,等.大跨薄壁墩連續(xù)鋼構(gòu)橋抗震性能分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(城市科學(xué)版),2006.

        [2]李林.罕遇地震下空心薄壁高墩大跨T形剛構(gòu)橋彈塑性地震反應(yīng)分析[J].地震工程學(xué)報,2013.

        [3]張玉娥,白寶鴻,向敏.罕遇地震聯(lián)系梁橋抗震性能分析[J].振動與沖擊,2009.

        [4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.CJJ166-2011,城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑出版社,2011.

        [5]中國地震局.GB18306-2001,中國地震動參數(shù)區(qū)規(guī)劃圖[S].中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2001.

        [6]中國建筑科學(xué)研究院.GB50011-2011,建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].中國建筑出版社,2010.

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