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        采用摩擦擺支座及U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋地震響應(yīng)敏感性分析

        2016-12-10 06:27:12臧曉秋曹志峰吳成亮
        鐵道建筑 2016年11期
        關(guān)鍵詞:墩底極差跨度

        臧曉秋,曹志峰,吳成亮

        (1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京100081;2.株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007; 3.武漢鑫拓力工程技術(shù)有限公司,湖北武漢430074)

        采用摩擦擺支座及U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋地震響應(yīng)敏感性分析

        臧曉秋1,曹志峰2,吳成亮3

        (1.中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所,北京100081;2.株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007; 3.武漢鑫拓力工程技術(shù)有限公司,湖北武漢430074)

        以高速鐵路簡支箱梁橋隔震研究為例,建立了采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置組合地震保護(hù)方案的全橋地震響應(yīng)分析模型,針對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應(yīng),考慮了場地類別、橋墩高度、橋梁跨數(shù)、橋梁跨度、激勵方向等影響因素,并根據(jù)各因素選定的水平級別,實(shí)施了混合正交試驗(yàn),再應(yīng)用極差分析方法對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應(yīng)進(jìn)行了影響因素的敏感性分析,明確了各因素對相關(guān)響應(yīng)量影響的主次情況,為高速鐵路簡支箱梁橋隔震研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

        高速鐵路;簡支箱梁橋;摩擦擺支座;U型鋼防落梁裝置;地震響應(yīng);敏感性分析

        高速鐵路建設(shè)中大量選用以橋代路,橋梁比例最高達(dá)到線路總長度的80%以上。我國地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶之間,是一個地震災(zāi)害嚴(yán)重的國家。高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全性問題亟待解決,而橋梁隔震技術(shù)是一種有效的地震保護(hù)手段。隔震設(shè)計(jì)是提高結(jié)構(gòu)抗震能力的一種設(shè)計(jì)方法,其本質(zhì)就是將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地面運(yùn)動分離開來,要達(dá)到這個目的,可通過延長結(jié)構(gòu)的自振周期、避開地震能量集中的范圍,阻止共振的積累,從而降低結(jié)構(gòu)的地震力。但延長周期會引起結(jié)構(gòu)的位移增大,為了控制過大位移,需在結(jié)構(gòu)中引入阻尼裝置。根據(jù)簡支箱梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、梁端布置及各種隔震裝置、阻尼裝置的性能差異,高速鐵路簡支箱梁橋的隔震措施選擇了摩擦擺支座與鋼阻尼防落梁的組合方式。

        本文以我國高速鐵路常用簡支箱梁橋?yàn)槔?,建立了采用摩擦擺支座與U型防落梁裝置組合地震保護(hù)方案的全橋地震響應(yīng)分析模型,針對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應(yīng),考慮了場地類別、橋墩高度、橋梁跨數(shù)、橋梁跨度、激勵方向等影響因素,并根據(jù)各因素選定的水平級別實(shí)施了混合正交試驗(yàn),再應(yīng)用極差分析方法對支座位移、墩底剪力、墩底彎矩等地震響應(yīng)進(jìn)行了敏感性分析。

        1 摩擦擺支座及U型鋼防落梁裝置

        摩擦擺支座是一種性能優(yōu)良的地震保護(hù)裝置,它安置在梁底與墩頂之間,具有承載能力高、位移能力大、耐久性強(qiáng)、可自動復(fù)位等優(yōu)點(diǎn),在國外橋梁地震保護(hù)設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。摩擦擺支座由凹球面上支座板、雙面凸球面球冠襯板、凹球面下支座板、附著于上、下支座板的不銹鋼板與嵌固于球冠襯板的滑板構(gòu)成的滑動摩擦副等主體部件構(gòu)成,見圖1。摩擦擺支座是利用單擺原理設(shè)計(jì)而成,單擺周期僅與擺長半徑有關(guān),與質(zhì)量塊的質(zhì)量大小無關(guān),因此橋梁結(jié)構(gòu)安裝摩擦擺支座后的自振周期由球冠襯板球面半徑?jīng)Q定。通過摩擦擺支座球面半徑的合理取值可以自由調(diào)整橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期,使橋梁的自振周期遠(yuǎn)離(避開)該地區(qū)的地震特征周期;同時,摩擦擺支座通過滑板與不銹鋼之間的摩擦吸收地震能量,可以進(jìn)一步減緩橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

        圖1 摩擦擺支座構(gòu)造示意

        與摩擦擺支座配套使用的U型鋼防落梁裝置在正常運(yùn)營情況下并不參與工作,不承受任何豎向力、水平力;在地震作用下摩擦擺支座發(fā)生擺動時,防落梁裝置發(fā)生履帶式滾動變形并產(chǎn)生阻尼,當(dāng)梁體位移超過阻尼位移設(shè)計(jì)值時,U型防落梁裝置轉(zhuǎn)化成防落梁拉桿,有效阻止落梁,即兼顧了減隔震與防落梁的雙重功能。U型阻尼防落梁裝置構(gòu)造見圖2。

        圖2 U型鋼防落梁裝置

        2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

        2.1模型及輸入地震波

        高速鐵路簡支箱梁橋隔震設(shè)計(jì)地震響應(yīng)敏感性分析的模型,選用高速鐵路預(yù)應(yīng)力混凝土常用跨度雙線整孔簡支箱梁,橋墩為雙線圓端形空心橋墩;橋址抗震設(shè)防烈度取8度,設(shè)計(jì)地震動峰值加速度為0.3g;隔震設(shè)計(jì)采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置組合方案,其中摩擦擺支座的球面曲率半徑為3 m,設(shè)計(jì)摩擦系數(shù)為0.05,U型防落梁裝置的設(shè)計(jì)阻尼位移為±100 mm。計(jì)算模型計(jì)入梁部及橋面系剛度,考慮相鄰橋跨之間的地震響應(yīng)相互影響。荷載包括結(jié)構(gòu)自重及橋面二期恒載,地震作用下箱梁和橋墩保持彈性狀態(tài),橋墩和箱梁均采用線性梁單元模擬,橋墩下端采用固定約束,忽略土與結(jié)構(gòu)之間的相互作用。橋墩與箱梁之間用非線性彈簧連接模擬摩擦擺支座以及U型鋼防落梁裝置的作用,摩擦擺支座采用雙線性模型,滯回曲線見圖3,U型鋼防落梁裝置也采用雙線性模型,滯回曲線見圖4。根據(jù)以上條件建立5跨簡支箱梁橋的地震響應(yīng)分析模型。

        由于結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)取決于結(jié)構(gòu)本身的動力特性以及輸入地震波的特性,因此選擇合理的地震波是進(jìn)行時程分析的基礎(chǔ)。常用的地震波包括根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜擬合的人工地震波、地震災(zāi)害性分析提供的人工地震波、歷史記錄的實(shí)際地震波。實(shí)際地震的記錄是有限的,不可能完全符合設(shè)計(jì)要求,人工模擬地震波是抗震性能試驗(yàn)和計(jì)算分析中常用的一種方式,這是因?yàn)槿斯つM地震波能夠按照設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜要求來完成,并且能夠根據(jù)特定的場地類型自由選取。本文采用反應(yīng)譜擬合方式獲取輸入地震波,根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)及《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)確定地震動加速度反應(yīng)目標(biāo)譜,圖5給出了人工模擬地震波的波形,圖6為人工模擬地震波計(jì)算譜與目標(biāo)譜之間的對比圖。

        圖3 摩擦擺支座滯回曲線

        圖4 U型鋼防落梁裝置滯回曲線

        圖5 人工模擬地震波

        圖6 人工模擬地震波計(jì)算譜與目標(biāo)譜對比

        2.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究實(shí)踐中,往往需要考察的因素比較多,因素水平數(shù)也常常多于2個,如果對每個因素的每個水平都相互搭配進(jìn)行全面試驗(yàn),試驗(yàn)次數(shù)是驚人的,如果用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)來安排試驗(yàn),則試驗(yàn)次數(shù)會大大減少,而且統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算也將變得簡單。對于采用摩擦擺支座和U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋來說,支座位移、墩底剪力、墩底彎矩是需要重點(diǎn)關(guān)注的地震響應(yīng)量,場地類型、橋墩高度、橋梁跨數(shù)、橋梁跨度、激勵方向等因素均會對其產(chǎn)生影響,明確判斷各因素的影響程度及主次順序,是更好的進(jìn)行高速鐵路簡支箱梁橋隔震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。對于簡支箱梁橋隔震設(shè)計(jì)的敏感性分析,需考慮的因素及其各自水平級別如表1所示。若要對上述各影響因素水平的組合進(jìn)行全面試驗(yàn),則需做256次數(shù)值分析,而采用正交試驗(yàn)方法最少僅需32次,因此為了以最少的試驗(yàn)次數(shù)反映出全面試驗(yàn)的信息,本次分析采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行,將橋梁激勵方向單獨(dú)列出來,做平行對比試驗(yàn),對其他因素選用3因素4水平和1因素2水平混合正交,如表2所示。

        表1 因素水平

        表2 L16(43×21)混合正交表

        2.3計(jì)算結(jié)果

        根據(jù)確認(rèn)的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及參數(shù),按混合正交表的因素組合,對采用摩擦擺支座和U型鋼防落梁裝置的高速鐵路簡支箱梁橋進(jìn)行地震響應(yīng)敏感性分析。當(dāng)人工模擬地震波順橋向輸入時,各工況關(guān)鍵地震響應(yīng)量的峰值計(jì)算結(jié)果如表3所示,當(dāng)人工模擬地震波橫橋向輸入時,各工況關(guān)鍵地震響應(yīng)量的峰值計(jì)算結(jié)果如表4所示。

        表3 人工模擬地震波順橋向輸入正交試驗(yàn)地震響應(yīng)分析結(jié)果

        表4 人工模擬地震波橫橋向輸入正交試驗(yàn)地震響應(yīng)分析結(jié)果

        2.4正交試驗(yàn)結(jié)果分析

        正交試驗(yàn)結(jié)果的分析采用極差分析法,該方法具有計(jì)算簡便、直觀形象、簡單易懂等優(yōu)點(diǎn),是正交試驗(yàn)結(jié)果分析最常用的方法。極差的大小反映了試驗(yàn)中各個因素影響的大小,極差大表明該因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響大,是主要因素;反之極差小表明該因素對試驗(yàn)結(jié)果影響小,是次要因素或不重要因素。極差分析法首先計(jì)算出每一個水平的試驗(yàn)指標(biāo)值的總和與平均值,然后求出極差,根據(jù)極差的大小,分析各個因素對試驗(yàn)指標(biāo)值的影響程度,確定哪些因素是主要的,哪些因素是次要的。

        表5、表6是根據(jù)表3、表4正交試驗(yàn)結(jié)果,采用極差分析方法得到的考慮場地類別、橋墩高度、橋梁跨數(shù)、橋梁跨度等因素及其相應(yīng)水平情況下支座縱、橫向位移極差分析表。從表5和表6可以看出,場地類別對于支座縱、橫向位移影響均最為顯著,對于支座縱向位移,橋梁跨數(shù)影響程度較大,橋梁跨度影響則不敏感,而對于支座橫向位移,橋梁跨度影響程度較大,橋梁跨數(shù)影響則不敏感。因此,對于支座縱向位移,其對影響因素的敏感程度依次為:場地類別>橋梁跨數(shù)>橋墩高度>橋梁跨度;對于支座橫向位移,其對影響因素的敏感程度依次為:場地類別>橋梁跨度>橋墩高度>橋梁跨數(shù)。

        表5 支座縱向位移極差分析mm

        表6 支座橫向位移極差分析mm

        表7、表8是根據(jù)表3、表4正交試驗(yàn)結(jié)果,采用極差分析方法得到的考慮場地類別、橋墩高度、橋梁跨數(shù)、橋梁跨度等因素及其相應(yīng)水平情況下墩底縱、橫向剪力極差分析表。從表7和表8可以看出,橋墩高度和場地類別是影響墩底剪力的兩個主要因素,橋墩高度對于墩底縱向剪力更為顯著,場地類別則對于墩底橫向剪力影響更為顯著,另外對于墩底縱向剪力,橋梁跨數(shù)影響程度也較大,橋梁跨度影響則不敏感,而對于墩底橫向剪力,橋梁跨度影響程度較大,橋梁跨數(shù)影響則不敏感。因此,對于墩底縱向剪力,其對影響因素的敏感程度依次為:橋墩高度>場地類別>橋梁跨數(shù)>橋梁跨度;對于墩底橫向剪力,其對影響因素的敏感程度依次為:場地類別>橋墩高度>橋梁跨度>橋梁跨數(shù)。

        表7 墩底縱向剪力極差分析結(jié)果kN

        表8 墩底橫向剪力極差分析結(jié)果kN

        表9、表10是根據(jù)表3、4正交試驗(yàn)結(jié)果,采用極差分析方法得到的考慮場地類別、橋墩高度、橋梁跨數(shù)、橋梁跨度等因素及其相應(yīng)水平情況下墩底縱、橫向彎矩極差分析表。從表9和表10可以看出,橋墩高度對于墩底縱、橫向彎矩影響均最為顯著,場地類別居其次,另外對于墩底縱向彎矩,橋梁跨數(shù)影響程度也較大,橋梁跨度影響則不敏感,而對于墩底橫向彎矩,橋梁跨度影響程度較大,橋梁跨數(shù)影響則不敏感。因此,對于墩底縱向彎矩,其對影響因素的敏感程度依次為:橋墩高度>場地類別>橋梁跨數(shù)>橋梁跨度;對于墩底橫向彎矩,其對影響因素的敏感程度依次為:橋墩高度>場地類別>橋梁跨度>橋梁跨數(shù)。

        表9 墩底縱向彎矩極差分析結(jié)果kN·m

        表10 墩底橫向彎矩極差分析結(jié)果kN·m

        3 結(jié)論

        本文以高速鐵路簡支箱梁橋隔震研究為例,建立了采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置組合地震保護(hù)方案的全橋地震響應(yīng)分析模型,針對支座位移,墩底剪力、彎矩地震響應(yīng),考慮了場地類別等影響因素,并根據(jù)各因素選定的水平級別實(shí)施了混合正交試驗(yàn),應(yīng)用極差分析方法對支座位移,墩底剪力、彎矩等地震響應(yīng)進(jìn)行了敏感性分析,得到以下結(jié)論:

        1)場地類別對于支座縱、橫向位移影響均最為顯著,對于支座縱向位移,橋梁跨數(shù)影響程度較大,橋梁跨度影響則不敏感,而對于支座橫向位移,橋梁跨度影響程度較大,橋梁跨數(shù)影響則不敏感;

        2)橋墩高度和場地類別是影響墩底剪力的兩個主要因素,橋墩高度對于墩底縱向剪力影響更為顯著,場地類別則對于墩底橫向剪力影響更為顯著,另外對于墩底縱向剪力,橋梁跨數(shù)影響程度也較大,橋梁跨度影響則不敏感,而對于墩底橫向剪力,橋梁跨度影響程度較大,橋梁跨數(shù)影響則不敏感;

        3)橋墩高度對于墩底縱、橫向彎矩影響均最為顯著,場地類別居其次,另外對于墩底縱向彎矩,橋梁跨數(shù)影響程度也較大,橋梁跨度影響則不敏感,而對于墩底橫向彎矩,橋梁跨度影響程度較大,橋梁跨數(shù)影響則不敏感。

        綜上所述,當(dāng)高速鐵路簡支箱梁橋隔震設(shè)計(jì)采用摩擦擺支座與U型鋼防落梁裝置的組合方案時,為控制結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)應(yīng)著重關(guān)注場地類別和橋墩高度對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響;為了控制支座位移,防止落梁,除場地類別外還應(yīng)關(guān)注橋梁跨數(shù)和橋梁跨度對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。

        [1]陳永祁,馬良澤.結(jié)構(gòu)保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[M].北京:中國鐵道出版社,2015.

        [2]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009.

        [3]高孟潭.《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)宣貫教材[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

        [4]楊慶山,田玉基.地震地面運(yùn)動及其人工合成[M].北京:科學(xué)出版社,2014.

        [5]李云雁,胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015.

        [6]王巖,隋思漣.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與MATLAB數(shù)據(jù)分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

        (責(zé)任審編 孟慶伶)

        Sensitive Analysis on Seismic Response of Simply Supported Box Girder Bridge on High Speed Railway Using Friction Pendulum Bearings and U-shaped Steel Combined Earthquake Protection Device

        ZANG Xiaoqiu1,CAO Zhifeng2,WU Chengliang3
        (1.Railway Engineering Research Institute,China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China;2.Zhuzhou Times New Material Technology Co.,Ltd.,Zhuzhou Hunan 412007,China;3.Wuhan Xintuoli Engineering Technology Co.,Ltd.,Wuhan Hubei 430074,China)

        In this paper,the seismic isolation of simply supported box girder bridges on high speed railway was studied.A bridge model with friction pendulum bearings and a U-shaped steel com bined earthquake protection device was built for seismic response analysis,including the seismic response of bearing displacement,and shear and moment at the pier bottom.Multiple factors including site types,pier height,number of bridge spans,bridge span length and excitation direction were considered.A mixed orthogonal test was carried out according to the selected level of each factor.Using range analysis method,sensitivity analysis of each factor was carried out on the seismic response of bearing displacement,and shear and moment at the pier bottom.The primary and secondary cases of theim pact of various factors on the relevant response were analyzed.It may provide guidelines for seismic isolation and design optimization of simply supported box girder bridges on high speed railway.

        High speed Railway;Simply supported box girder bridge;Friction pendulum bearing;U-shaped steel Combined earthquake protection device;Seismic response;Sensitivity analysis

        U442.5+4

        A

        10.3969/j.issn.1003-1995.2016.11.02

        1003-1995(2016)11-0005-05

        2016-08-10;

        2016-09-08

        中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014G010-B)

        臧曉秋(1972—),女,研究員,碩士。

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