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        基于耗能系梁的雙肢高墩剛構(gòu)橋減震控制研究

        2018-08-27 13:44:32劉晶波李朝紅
        振動與沖擊 2018年15期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置

        李 勇, 劉晶波, 李朝紅

        (1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,石家莊 050043;2. 清華大學(xué) 土木工程學(xué)院,北京 100084)

        近年來,公路交通建設(shè)逐漸往西部地區(qū)延伸,由于山區(qū)地勢險峻,多有溝壑和陡坡,因此設(shè)計并建造了大量的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋,若以墩的高度進行簡單分類,則墩高超過40 m的可稱為高墩連續(xù)剛構(gòu)橋,對于墩高超過40 m且墩身一階振型有效質(zhì)量低于60%,且結(jié)構(gòu)進入塑性的高墩橋梁應(yīng)做專項研究[1]。目前高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的數(shù)量早已超過百座,其中墩高超過100 m的超高墩剛構(gòu)橋也達到了幾十座。山區(qū)溝塹地形的復(fù)雜性和由此導(dǎo)致橋梁自身結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性,使得高墩連續(xù)剛構(gòu)橋與常規(guī)公路橋梁的抗震性能有很大區(qū)別[2]。

        雙肢墩是高墩連續(xù)剛構(gòu)橋常采用的結(jié)構(gòu)型式,當墩高小于60 m時,常采用雙肢薄壁矩形墩;而當墩高大于60 m時,常采用雙肢薄壁空心墩。雙肢墩具有有效削減墩頂?shù)闹髁簭澗胤逯?、橫向迎風(fēng)面積小等的優(yōu)點,但是當墩高較大時的穩(wěn)定性較低,需要在雙肢墩之間沿縱橋向設(shè)置構(gòu)造措施即系梁來降低橋墩的計算高度,從而減小長細比,提高橋墩穩(wěn)定系數(shù)[3]。

        但是,系梁并非雙肢高墩剛構(gòu)橋的主要受力構(gòu)件,而是輔助受力構(gòu)件,多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),當雙肢墩間距較大時亦可采用預(yù)應(yīng)力混凝土系梁。沿橋墩高度方向,可以間隔15~25 m設(shè)置多道系梁。既有研究[4]表明,設(shè)置系梁對高墩剛構(gòu)橋的縱向地震響應(yīng)有一定影響,系梁先于橋墩屈服后進行耗能,可以在一定程度上減小橋墩墩底和墩頂塑性鉸曲率值,但不能有效降低雙肢墩的損壞程度。既有的帶系梁的雙柱墩震害也表明了傳統(tǒng)的鋼筋混凝土系梁或者充當“保險絲”的作用,在地震中保護主梁,但震后不易修復(fù)(見圖1(a));或者因設(shè)置不當,進而引起橋墩在系梁位置處出現(xiàn)塑性鉸(見圖1(b))。

        (a) 系梁損壞保護主墩(b) 系梁剛度大造成橋墩失效

        圖1 設(shè)置系梁的雙柱墩震害

        Fig.1 Seismic damage of double-piers with tie beam

        本文首先在分析傳設(shè)置統(tǒng)鋼筋混凝土系梁的雙肢高墩抗震性能的基礎(chǔ)上,提出一種在兩端設(shè)置轉(zhuǎn)動耗能阻尼器的耗能系梁,在兼顧耗能的同時,保證雙肢高墩的墩身和系梁在地震中均不會遭受破壞,并通過動力彈塑性分析驗證其減震控制能力。

        1 雙肢墩剛構(gòu)橋的系梁作用

        選擇一座5跨連續(xù)雙肢高墩剛構(gòu)橋的雙肢矩形墩進行擬靜力加載分析,如圖2(a)所示。雙肢墩墩高45 m,混凝土強度等級為C50,縱向受力鋼筋為直徑32 mm的HRB335級鋼筋,箍筋為直徑10 mm的HPB300級鋼筋,單肢墩縱筋配筋率和配箍率分別為1.65%和0.43%,如圖2(b)所示。

        分別考慮不設(shè)置系梁和設(shè)置1,2,3道系梁,系梁間距分別為22.5 m,15 m和11.25 m,進行低周往復(fù)變幅值位移加載分析,加載機制見圖3(a);采用ABAQUS建立雙肢墩的有限元模型,計算結(jié)果如圖3(b)所示,可以看出隨著系梁數(shù)量的增加,雙肢墩出現(xiàn)塑性鉸的數(shù)量也增加。不僅在墩底和墩頂出現(xiàn)塑性鉸,系梁兩端也會出現(xiàn)塑性鉸進行耗能。

        (a) 橋型布置圖(單位:m)

        (b) 單肢墩柱的截面配筋

        (a) 變幅值位移加載機制

        圖4給出了擬靜力加載作用下墩頂力-位移關(guān)系曲線,可以看出隨著系梁數(shù)量的增加,系梁間距逐步減小,雙肢墩的耗能能力也逐步增加,但是當系梁數(shù)量超過2道后(間距低于15 m),耗能能力增大的幅度會減小,而雙肢墩剛構(gòu)橋在設(shè)計系梁時常取間距15~25 m,與圖4分析結(jié)果也較為一致。

        (a) 1道系梁

        (b) 2道系梁

        (c) 3道系梁

        (d) 骨架曲線

        但由圖4可見,隨著系梁數(shù)量的增加和系梁間距的減小,墩頂水平力也呈增長趨勢,通過對雙柱墩的Pushover推覆分析(見圖5)可以看出,墩底剪力也會逐漸增加,當設(shè)置三道鋼筋混凝土系梁時,基地剪力增大約75%。實際上,隨著鋼筋混凝土系梁數(shù)量的增加,雙肢墩的側(cè)向剛度也隨之增加,作為能力保護構(gòu)件的橋墩抗剪和基礎(chǔ)抗剪都需要進一步提高承載能力。

        圖5 Pushover分析結(jié)果

        2 雙肢墩耗能系梁減震效果

        2.1 耗能系梁的耗能機理

        采用耗能系梁能來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼筋混凝土系梁,不僅可以避免或降低鋼筋混凝土系梁給橋墩帶來的剪力增量,同時也可利用耗能系梁這種非主要受力構(gòu)件來為橋梁進行減震耗能,發(fā)揮其“輔助耗能構(gòu)件”的作用[5-6]。由于雙肢墩的高度較高,在地震作用下沿縱橋向會產(chǎn)生一定的彎曲變形(見圖6(a)),假設(shè)耗能系梁中間部位為剛性構(gòu)件,兩端與雙肢墩墩柱連接的地方采用轉(zhuǎn)動鉛阻尼器[7-8](見圖6(b)),則耗能系梁和墩柱之間會產(chǎn)生轉(zhuǎn)角變形,進而發(fā)揮轉(zhuǎn)動阻尼器的耗能作用(見圖7)。

        選擇一個5跨雙肢墩連續(xù)剛構(gòu)橋進行彈塑性動力時程分析,如圖8所示,墩高為60 m,橋墩采用8.0 m×5.6 m的矩形截面,主筋和箍筋分別采用HRB335(242B28)和R235(Φ10,加密區(qū)和非加密區(qū)間距分別為10 cm和15 cm)鋼筋,截面縱筋配筋率、加密區(qū)和非加密區(qū)箍筋體積配箍率分別為3.34%,0.56%和0.37%。橋墩沿全高采用纖維鉸考慮其材料非線性,主梁端部與橋臺之間設(shè)置碰撞單元,間隙值Δd取值為20 cm,梁端滑動支座考慮其滑動摩擦滯回性能,墩底固結(jié),不考慮樁土效應(yīng),同時梁端碰撞考慮橋臺為剛性橋臺,不考慮臺后填土作用[9]。選取El-centro地震記錄輸入進行動力彈塑性分析,加速度峰值取值為0.2g。

        (a) 橋墩變形(b) 耗能系梁

        圖6 耗能系梁設(shè)置

        Fig.6 Energy-dissipation tie-beam arrangement

        圖7 轉(zhuǎn)動鉛剪切阻尼器及滯回曲線

        圖8 高墩剛構(gòu)橋動力彈塑性模型及細節(jié)

        圖9給出了不同耗能系梁設(shè)計參數(shù)對應(yīng)的剛構(gòu)橋動力響應(yīng)計算結(jié)果對比。由圖9可知,只要耗能系梁兩端的轉(zhuǎn)動鉛剪切阻尼器的設(shè)計參數(shù)取值適當,總能起到減震控制的作用,梁端的碰撞力和墩底塑性鉸曲率均隨著屈服彎矩和轉(zhuǎn)動剛度的增大而減小,對于本橋而言,當屈服彎矩和轉(zhuǎn)動剛度分別取400 kN·m和4×105kN·m/rad時,梁-臺之間不會發(fā)生碰撞響應(yīng),梁端活動支座位移不超過伸縮縫間隙值,墩底塑性鉸曲率值也達到較小值。

        (a) 梁-臺碰撞力和相對位移(b) 墩底塑性鉸曲率和彎矩(c)梁-臺碰撞力和相對位移(d) 墩底塑性鉸曲率和彎矩

        (e) 耗能系梁滯回曲線

        2.2 耗能系梁的耗能效果

        考慮本橋設(shè)置三道系梁,圖10給出了無系梁、設(shè)置兩端固結(jié)鋼筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)系梁和設(shè)置耗能系梁的高墩剛構(gòu)橋動力響應(yīng)對比。由圖10可以看出,設(shè)置RC系梁和阻尼系梁后,梁-臺間的相對位移可以控制在初始間隙范圍內(nèi),從而避免了梁-臺碰撞,而不設(shè)置系梁則會發(fā)生很大的碰撞響應(yīng);當設(shè)置RC系梁時,剛構(gòu)橋整體剛度變大,沿縱向自振頻率增大而周期減小,對于選用的EL-centro地震動記錄而言,縱向第一階自振頻率對應(yīng)的譜值較大(見圖10(d)),加之橋墩局部振型出現(xiàn),墩底塑性鉸曲率相對較大,同時墩底的剪力響應(yīng)也增大了近1倍,而設(shè)置阻尼系梁不會對結(jié)構(gòu)的振動頻率增大較多,同時可以將墩底塑性鉸曲率和剪力效應(yīng)控制在較小值。

        (a) 梁-臺相對位移(b) 墩底塑性鉸曲率(c) 墩底剪力(d) 振動周期與反應(yīng)譜關(guān)系

        圖10 不同工況對應(yīng)的雙肢高墩剛構(gòu)橋地震響應(yīng)對比

        Fig.10 Seismic response of high-pier rigid frame bridge for several cases

        2.3 耗能系梁位置的影響規(guī)律

        當本橋設(shè)置1道耗能系梁時,一些既有高墩雙肢剛構(gòu)橋往往設(shè)置在中間部位,但是對于減震耗能效果而言不一定為最佳部位,分別考察將1道系梁分別設(shè)置在距墩底H/3,H/2和2H/3處,得到設(shè)置1道系梁時,高墩剛構(gòu)橋的減震效果如圖11所示??梢钥闯觯斚盗涸O(shè)置在距墩底H/3或2H/3處時,減震效果較好,而當系梁設(shè)置在距墩底H/2處時,甚至?xí)龃笈鲎擦憫?yīng);此外,不同位置設(shè)置耗能系梁對于墩底塑性鉸、剪力均基本無影響。

        圖11 在不同位置設(shè)置耗能系梁后碰撞力響應(yīng)對比

        考慮本橋分別設(shè)置1~3道耗能系梁,圖12分別給出設(shè)置耗能系梁和未設(shè)耗能系梁的減震效果對比??梢钥闯觯捎谠诜治鰰r采用了一致輸入,所以橋臺對主梁的縱向限位,實際上是限制了墩頂?shù)目v向位移,進而限制了墩底塑性鉸的發(fā)展,所以采用地震動一致輸入時,耗能系梁的主要作用在于降低梁-臺的碰撞力[10],對墩底塑性鉸和剪力基本無影響。

        (a) 碰撞力(b) 墩底彎矩(c) 墩底曲率(d) 墩底剪力

        圖12 耗能系梁數(shù)量對剛構(gòu)橋動力響應(yīng)的影響

        Fig.12 Seismic response considering different amount of tie-beams

        3 近斷層地震作用下高墩剛構(gòu)橋減震控制

        由于高墩剛構(gòu)橋縱向振動頻率較小,振動周期較長,整體結(jié)構(gòu)縱向剛度較柔,如果處于發(fā)震斷層附近,則可能會發(fā)生更為嚴重的地震響應(yīng)[11-12]。圖13給出了不同近遠場地震動反應(yīng)譜和設(shè)計反應(yīng)譜的關(guān)系曲線,可以看出,在同樣的有效加速度峰值前提下,在長周期段,近斷層地震動TCU075,TCU052對應(yīng)剛構(gòu)橋縱向基本周期的加速度譜值均比El-centro地震記錄的反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜對應(yīng)的值大,尤其是TCU052這種含速度脈沖的加速度反應(yīng)譜值更大,所以在近斷層地震作用下高墩剛構(gòu)橋可能會發(fā)生更為不利的地震反應(yīng)。

        圖13 不同地震動反應(yīng)譜對比

        橋梁梁端的碰撞效應(yīng)會限制橋墩的墩頂位移從而限制墩底塑性鉸的發(fā)展,汶川地震中的廟子坪大橋(跨徑布置125 m+220 m+125 m,墩高102 m),由于有引橋的存在,主橋只是將一跨T梁沿縱向撞至落梁,而主墩墩底塑性鉸開展并不嚴重,表面裂縫僅0.15 mm。所以,對于剛構(gòu)橋而言,若能夠?qū)α憾伺鲎策M行較好的減震控制,就能有效防止墩臺因碰撞而剪壞或者引起引橋落梁。

        圖14給出了近斷層高墩剛構(gòu)橋動力響應(yīng)及設(shè)置耗能系梁之后的減震效果分析,可以看出,與遠場地震動El-centro地震動相比,未設(shè)置系梁的剛構(gòu)橋在近斷層地震動TCU075和TCU052輸入下的梁端碰撞力及墩底剪力更大,增大約4~5倍,且碰撞次數(shù)也增多;而安裝耗能系梁之后均有一定程度的減震效果,雖然不能完全避免碰撞響應(yīng),但是可以降低約50%~60%,而且對墩底剪力也有相應(yīng)地降低,碰撞次數(shù)也有一定程度降低。

        (a) 原橋碰撞力對比(b) 原橋墩底剪力對比(c) TCU075碰撞力對比(d) TCU075墩底剪力對比(e) TCU075碰撞力對比(f) TCU075墩底剪力對比

        圖14 近斷層剛構(gòu)橋橋動力響應(yīng)及減震控制

        Fig.14 Seismic response and control of near-fault rigid frame bridge

        4 結(jié) 論

        通過對設(shè)置傳統(tǒng)系梁的雙肢墩進行擬靜力加載分析及設(shè)置耗能系梁的雙肢高墩剛構(gòu)橋的抗震性能分析,可以得出以下結(jié)論:

        (1)高墩剛構(gòu)橋的梁端伸縮縫間隙值設(shè)計多取決于溫度、混凝土收縮和徐變等因素引起的梁端縱向變形,遠小于橋墩抗震性能設(shè)計所需要的墩頂縱向變形能力,梁端碰撞力和橋墩剪力是主要地震響應(yīng)。

        (2)傳統(tǒng)的鋼筋混凝土系梁雖會增大雙肢墩的耗能能力,但橋墩剪力也增大較多;遠場地震作用下,耗能系梁能夠有效防止梁端發(fā)生碰撞并使橋墩剪力控制在較小水平。

        (3)當設(shè)置1道或者2道耗能系梁時,分別設(shè)置在距墩底H/3和2H/3處耗能能力較高。

        (4)高墩剛構(gòu)橋縱向振動周期較長,相較于遠場地震動,對于長周期成分豐富的近斷層地震動更為敏感,未設(shè)系梁的近斷層雙肢高墩剛構(gòu)橋的動力響應(yīng)遠高于遠場地震動,設(shè)置耗能系梁能夠有效降低近斷層地震動力響應(yīng)。

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