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        減隔震支座對(duì)現(xiàn)澆箱梁橋減震效應(yīng)的影響

        2017-12-28 06:35:26蔡成奇
        福建交通科技 2017年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)

        ■蔡成奇

        (福州路信公路設(shè)計(jì)有限公司,福州 350002)

        減隔震支座對(duì)現(xiàn)澆箱梁橋減震效應(yīng)的影響

        ■蔡成奇

        (福州路信公路設(shè)計(jì)有限公司,福州 350002)

        以某座三跨連續(xù)梁為例,運(yùn)用Midascivil有限元分析軟件對(duì)普通盆式橡膠支座、鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座的地震響應(yīng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明,采用鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座可以通過降低結(jié)構(gòu)低階自振周期,有效降低墩底內(nèi)力。連續(xù)結(jié)構(gòu)中隔震體系比抗震體系受力更為合理。鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座隔震性能較為接近,但考慮支座豎向承載力和耐久性,摩擦擺支座具有較大的優(yōu)勢(shì)。

        連續(xù)梁 盆式橡膠支座 鉛芯橡膠支座 摩擦擺支座 地震響應(yīng)

        0 引言

        連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì),一般分為抗震體系和隔震體系兩種方式。采用抗震設(shè)計(jì)的做法是采用加大橋墩剛度和強(qiáng)度,以抵抗地震力的影響。采用減隔震設(shè)計(jì)的做法是通過設(shè)置減隔震支座,以延長橋梁低階自振周期,減少上部結(jié)構(gòu)地震力的傳遞。為更好了解減隔震支座對(duì)結(jié)構(gòu)體系的影響,本文通過對(duì)盆式橡膠支座,鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座進(jìn)行對(duì)比分析,研究不同支座下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。通過對(duì)比分析不同體系下橋梁的受力特點(diǎn),為類似的工程提供參考。

        1 工程項(xiàng)目背景

        福州某快速路高架橋,跨徑為(3×35)m+(37+40+40)m+(3×35)m連續(xù)箱梁橋,取第二聯(lián)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,橋型布置詳見圖1。箱梁頂寬16.5m,底寬10.5m,梁高2.2m,箱梁截面為單箱雙室結(jié)構(gòu)。橋墩采用花瓶墩,墩底截面為1.8m×1.5m矩形截面,墩頂截面為2.15m×1.5m矩形截面,橋墩高度為7.6m;承臺(tái)為工字型承臺(tái),順橋向長6.5m,橫橋向7.5m,承臺(tái)高2.2m,詳見圖3;樁基為1.5m鉆孔灌注樁,樁長60m,橫斷面詳見圖2。

        圖1 橋型布置圖(單位:cm)

        圖2 橫斷面圖

        圖3 承臺(tái)布置圖

        以本橋?yàn)槔?,采用以下三種支座方案(表1)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析:

        表1 支座方案

        2 減隔震技術(shù)原理

        在地震荷載作用下,地震力通過基礎(chǔ)和橋墩傳遞給梁部,引起梁部的晃動(dòng)。對(duì)于常規(guī)橋梁,橋墩越高,墩頂位移越大。在地震中,梁部的地震慣性力很大,上部的地震力往下以剪力形式進(jìn)行傳遞,當(dāng)剪力值超過支座容許值,造成支座破壞和落梁的地震災(zāi)害。

        橋梁的自振周期由基礎(chǔ)、橋墩、支座和梁部四個(gè)部分的剛度決定。減隔震支座自身剛度較低,可以有效降低橋梁的自振周期,同時(shí)減隔震支座可以很好將地震力消耗掉,降低梁部傳遞下來的地震剪力,減少下部結(jié)構(gòu)造價(jià)。

        2.1 普通盆式支座

        普通盆式支座傳遞上部結(jié)構(gòu)地震力,且地震力主要集中在固定支座,通過支座把地震力傳遞給下部結(jié)構(gòu),下部結(jié)構(gòu)本身采用增加剛度和強(qiáng)度的方式去抵抗地震力。

        2.2 鉛芯橡膠支座

        鉛芯橡膠支座(LRB)是由鉛芯、鋼板以及橡膠組成,在地震力作用下,鉛芯屈服,支座剛度減小。其減震原理主要是增加結(jié)構(gòu)柔性,延長結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期來達(dá)到減震效果。同時(shí),由于鉛的屈服應(yīng)力較低,并在塑性變形條件下具有較好的疲勞特效,可以起到阻尼消能的作用。

        2.3 摩擦擺減隔震支座

        摩擦擺支座減震原理主要是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且支座水平力大于支座設(shè)計(jì)容許水平力,摩擦擺支座的水平限位裝置剪斷,支座進(jìn)入滑動(dòng)狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期延長,結(jié)構(gòu)受到的地震力大幅度減少,同時(shí),設(shè)計(jì)滑動(dòng)面與滑塊之間的摩擦可以起到消能作用。通過隔離和消減上部結(jié)構(gòu)的地震力的方式,促使上部結(jié)構(gòu)地震力減少對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響,減少下部結(jié)構(gòu)的投資造價(jià)。

        3 橋梁分析模型建立

        本文采用Midas/civil建立該橋三維有限元模型,其中主梁、橫梁采用梁?jiǎn)卧M,橋墩、承臺(tái)采用柱單元模擬,樁基礎(chǔ)采用m法進(jìn)行土彈簧模擬。盆式支座采用彈性支承模擬,鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座采用滯回系統(tǒng)模擬,全橋模型及支座簡(jiǎn)化模型詳見圖4和圖5。

        圖4 全橋有限元模型

        圖5 三種支座簡(jiǎn)化模型

        4 地震動(dòng)荷載輸入

        橋梁場(chǎng)地位于福州市某地區(qū),抗震設(shè)防烈度為7度,場(chǎng)地類型為Ⅲ類,震動(dòng)峰值加速度值為0.10g,基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期為0.45s。

        根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》,抗震設(shè)防類別為B類,抗震重要系數(shù)Ci為1.7。采用反應(yīng)譜法對(duì)模型進(jìn)行分析。水平加速度反應(yīng)譜曲線詳見圖6:

        圖6 反應(yīng)譜曲線(阻尼比0.05)

        5 抗震結(jié)果對(duì)比

        5.1 自振特性對(duì)比

        對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析,根據(jù)分析結(jié)果,對(duì)比不同支座類型下結(jié)構(gòu)前10階的自振頻率,詳見表2。

        表2 結(jié)構(gòu)前10階自振頻率

        從表2可以看出,采用隔震支座后,可以顯著降低結(jié)構(gòu)低階自振周期,采用鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座后,1階自振頻率分別為0.386Hz和0.257Hz,同普通支座對(duì)比,分別降低了37.43%和58.33%。

        5.2 墩臺(tái)頂支反力分析

        連續(xù)梁在3#號(hào)墩采用固定支座,該墩所受的地震荷載最大。因此,減隔震支座的目標(biāo)是減少3#號(hào)墩的地震荷載。通過建立結(jié)構(gòu)模型,對(duì)三種不同支座,單項(xiàng)地震力作用下的支座反力進(jìn)行分析,結(jié)果詳見表3:

        從表3可以看出,鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座可以有效降低單項(xiàng)地震力,豎向力減隔率分別為67.56%和62.57%,順橋向水平力減隔率分別為57.73%和58.46%,橫橋向水平力減隔率分別為41.56%和34.30%。

        5.3 下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力對(duì)比

        抗震體系和隔震體系在地震作用下的內(nèi)力見表4和表5。根據(jù)表4,采用普通盆式支座,連續(xù)梁墩底順橋向最大剪力和彎矩分別為3938.7kN和30181.0kN·m,橫橋向大剪力和彎矩分別為2624.1kN和9768.7kN·m;采用鉛芯橡膠支座,連續(xù)梁墩底順橋向最大剪力和彎矩分別為1173.0kN和8786.1kN·m,橫橋向大剪力和彎矩分別為1405.2kN和3991.0kN·m;采用摩擦擺支座,連續(xù)梁墩底順橋向最大剪力和彎矩分別為1125.8kN和8939.8kN·m,橫橋向大剪力和彎矩分別為1568.1kN和3523.0kN·m。減隔震支座均可以有效減低上部結(jié)構(gòu)的地震力,鉛芯橡膠支座順橋向和橫橋向隔震率分別為70.93%和59.15%;摩擦擺支座順橋向和橫橋向隔震率為70.38%和65.45%。采用減隔震支座后,結(jié)構(gòu)可以滿足抗震要求。

        樁頂反力對(duì)比,通過表6可以發(fā)現(xiàn),采用減隔震支座,可以讓整個(gè)結(jié)構(gòu)體系平均承擔(dān)地震力,有效減少連續(xù)梁最大樁頂反力 (地震產(chǎn)生的拉力),減隔率分別為45.54%和45.48%。

        6 結(jié)論

        本文通過連續(xù)梁采用不同類型支座進(jìn)行研究,得到以下主要結(jié)論:

        表3 最大地震作用效應(yīng)組合下墩頂反力

        表5 地震組合下橫橋向墩底內(nèi)力

        表6 地震組合下樁頂反力

        (1)采用兩種減隔震支座均可以有效降低結(jié)構(gòu)的基頻,摩擦擺支座比鉛芯橡膠支座效果更為顯著。

        (2)采用減隔震支座可以有效降低順橋向橋墩墩底總剪力、總彎矩、最大剪力、最大彎矩和最大樁頂拉力,同時(shí)可使各墩承擔(dān)的內(nèi)力分布更均勻。與普通支座相比,隔震體系內(nèi)力值低于抗震體系,結(jié)構(gòu)受力較為合理經(jīng)濟(jì)。

        (3)在隔震體系中,采用摩擦擺支座和鉛芯橡膠支座,均有顯著的隔震效果且結(jié)果較為接近,但從支座承載力及耐久性方面考慮,摩擦擺支座優(yōu)于鉛芯橡膠支座,因此此類連續(xù)梁橋宜采用摩擦擺支座作為隔震措施。

        [1]葉愛君,管仲國.橋梁抗震(第二版)[M].北京:人民交通出版社,2002.

        [2].范立礎(chǔ).橋梁抗震.同濟(jì)大學(xué)出版社,1997:206-209

        [3]許莉,祁皚.多跨混凝土連續(xù)梁橋隔震措施研究[J].橋梁建設(shè),2014,44(2):32-36.

        [4]肖祥南.大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋抗震方法比較研究[J].中國市政工程,2012(3):80-82.

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