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        減隔震曲線折梁橋地震反應(yīng)分析

        2019-03-08 01:00:10秦洪果張展宏
        城市道橋與防洪 2019年1期

        秦洪果,張展宏

        (1.大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司西北分公司,甘肅 蘭州 730030;2.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

        0 引 言

        西部山區(qū)橋梁除橫、縱向不規(guī)則外,為滿足公路運(yùn)營(yíng)技術(shù)要求,橋梁修建服從路線的需要,曲線梁橋數(shù)量也較多[1]。目前設(shè)計(jì)施工大多采用預(yù)制直梁安裝后由簡(jiǎn)支直梁變?yōu)檫B續(xù)折梁的方式。對(duì)半徑較小的曲線梁橋一般情況是:墩臺(tái)軸線沿徑向布置,墩臺(tái)帽等寬,通過(guò)調(diào)整跨內(nèi)各梁的不同長(zhǎng)度來(lái)滿足曲線橋布設(shè)需要;也有各梁長(zhǎng)度相同,通過(guò)調(diào)整墩臺(tái)寬度或梁間距的布設(shè)形式(半徑較大)。

        從2008年汶川地震的百花大橋、回瀾立交橋等的震害情況,可見(jiàn)曲線梁橋在歷次地震中都表現(xiàn)出較高的易損性[2]。同時(shí)國(guó)外學(xué)者一般認(rèn)為曲線梁橋反應(yīng)較復(fù)雜。周緒紅等[3]認(rèn)為鉛芯橡膠支座具有很好的減隔震效果,在多維地震荷載作用下,曲線箱梁橋的受力則更為不利。陳樹(shù)剛等[4]研究了曲率半徑變化對(duì)曲線梁橋粘滯阻尼器減震效果的影響,為粘滯阻尼器在不同半徑曲線梁橋上的應(yīng)用提供建議。夏修身等[5]發(fā)現(xiàn)輸入地震動(dòng)維數(shù)引起的耦合效應(yīng)對(duì)隔震曲線橋梁的地震反應(yīng)有重要影響。王煦等[6]研究了采用直梁法、梁格法和多段直梁法建立的各種斜交橋分析模型的適用范圍,發(fā)現(xiàn)碰撞可增大裝有FPS支座的曲線橋中跨橋墩地震響應(yīng),而對(duì)邊跨橋墩地震響應(yīng)幾乎無(wú)影響。本文以常見(jiàn)的2座不同曲率半徑的山區(qū)曲線折梁橋?yàn)槔治隽似湔駝?dòng)特性,以及在三維地震動(dòng)下減隔震曲線折梁橋的地震反應(yīng)特點(diǎn)。

        1 工程概況

        1.1 橋梁結(jié)構(gòu)概況

        以 1座大半徑曲線橋 ((5×20+5×20)m,R=500 m)和 1座小半徑曲線橋((3×20+3×20)m,R=100 m)為工程背景。兩座橋的上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)截面、配筋一致,主梁為5片梁間距3.1 m的預(yù)制小箱梁,橋梁每孔兩端分別設(shè)置一道端橫梁,均沿徑向設(shè)置。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土等截面實(shí)心排架墩(直徑1.4 m)。橋梁立體圖和主梁平面圖分別見(jiàn)圖1和圖2所示。

        圖1 大半徑曲線折梁橋示意圖(R=500 m)

        1.2 減隔震設(shè)計(jì)方案

        在橋臺(tái)和橋墩伸縮縫處采用滑板支座,其他橋墩處采用鉛芯橡膠支座。支座的力學(xué)特性見(jiàn)表1所列。

        圖2 小半徑曲線折梁橋示意圖(R=100 m)

        表1 橋梁支座力學(xué)特性一覽表

        分析時(shí)采用了兩種隔震方式:一是沿橫橋向(徑向)和縱橋向(切向)的雙向隔震;二是僅沿縱橋向(切向)隔震。

        1.3 計(jì)算模型和地震動(dòng)輸入

        圖1所示的大半徑曲線橋各橋墩臺(tái)軸線平行布置,跨內(nèi)各梁長(zhǎng)度相等,墩臺(tái)帽寬度相等。圖2所示的小半徑曲線橋各橋墩臺(tái)軸線沿徑向布置,墩臺(tái)帽等寬,通過(guò)調(diào)整跨內(nèi)各梁的不同長(zhǎng)度來(lái)滿足曲線橋布設(shè)需要。

        應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進(jìn)行非線性時(shí)程反應(yīng)分析,橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%,并采用瑞利阻尼,梁體和墩柱采用Frame單元模擬,橡膠支座采用Bouc-Wen非線性連接單元模擬;為模擬塑性鉸的非線性力學(xué)行為,在橋墩底部設(shè)置非線性彈簧單元,該單元的滯回特征采用Takeda模型模擬,不考慮樁-土-結(jié)構(gòu)的相互作用,即在墩底固結(jié)。

        選擇Chi-Chi地震中具有速度脈沖特性(向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng))的3條地震動(dòng)記錄,對(duì)隔震曲線折梁橋進(jìn)行三維激勵(lì)。地震動(dòng)信息見(jiàn)表2所列。輸入時(shí),縱橋向(切線方向)加速度峰值調(diào)整為0.4 g,其他方向按相同比例調(diào)整。

        2 動(dòng)力特性分析

        采用計(jì)算模型,首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析。表3和表4為結(jié)構(gòu)前5階的自振周期和三個(gè)方向的質(zhì)量參與系數(shù)(兩個(gè)水平方向、一個(gè)扭轉(zhuǎn)豎向)??梢钥闯觯呵€折梁橋的振動(dòng)模態(tài)具有平扭耦合振動(dòng)的特點(diǎn)(如第3振型),曲率半徑越小則橋梁的平扭耦合振動(dòng)越顯著。

        表2 地震動(dòng)記錄一覽表

        表4 小半徑曲線折梁橋自振特性一覽表(R=100 m)

        3 山區(qū)曲線折梁橋減隔震反應(yīng)特性

        3.1 大半徑(R=500 m)曲線折梁橋地震反應(yīng)

        3.1.1 雙向隔震

        沿縱橋向(切向)和橫橋向(徑向)都進(jìn)行隔震,在近斷層地震動(dòng)作用下,主梁、橋墩和支座的地震反應(yīng)分別見(jiàn)表5、表6和表7所列。可以看出:

        (1)主梁位移縱橋向基本一致,在0.18 m左右;橫橋向位移有所差異。

        (2)縱橋向橋墩的最大側(cè)移角發(fā)生在較高墩處(4#和 6#墩,12 m),最大約 1.13%;最高墩(5#墩)上設(shè)置滑板支座,位移相對(duì)較小,側(cè)移角為0.85%;橫橋向橋墩系雙柱式排架,剛度較縱橋向大,側(cè)移角基本都小于0.21%。

        表5 梁體位移表(R=500 m) m

        表6 橋墩位移表(R=500 m) cm

        表7 支座位移表(R=500 m) m

        (3)最矮墩(1#和9#)處支座的縱橋向位移最大,其剪應(yīng)變接近1.0;支座橫橋向變形趨于一致,其剪應(yīng)變?cè)?.96左右;支座處于安全狀態(tài)。

        3.1.2 單向隔震

        沿縱橋向(切向)進(jìn)行隔震、橫橋向(徑向)不隔震并假定由擋塊構(gòu)成限位,在近斷層地震動(dòng)作用下重新計(jì)算了主梁、橋墩和支座的地震反應(yīng)。主要發(fā)現(xiàn)是主梁縱橋向位移,橋墩縱橋向側(cè)移角和隔震支座縱橋向的剪應(yīng)變等變化不是很大,僅有很小的增加。是橋墩橫橋向位移確放大了3倍(仍小于縱橋向),因橫橋向未隔震,這樣的結(jié)果是可以想見(jiàn)的。

        3.1.3 豎向地震反應(yīng)

        減隔震橋梁設(shè)計(jì)一般要求支座不能承受拉力,而曲線折梁橋靜力下彎扭耦合和動(dòng)力下平扭耦合的振動(dòng)特點(diǎn)都可能會(huì)導(dǎo)致其支座發(fā)生受拉。因此討論了含豎向三維地震動(dòng)作用下支座的受力狀態(tài)。時(shí)程分析表明:其承受壓力變化范圍可以達(dá)到25%以上,支座皆處于受壓狀態(tài)。

        3.2 小半徑(R=100 m)曲線折梁橋地震反應(yīng)

        3.2.1 雙向隔震

        雙向隔震下在近斷層地震動(dòng)作用下,主梁、橋墩和支座的地震反應(yīng)分別見(jiàn)表8、表9和表10所列。可以看出:

        (1)左聯(lián)縱橋向主梁位移在0.26 m左右,右聯(lián)在0.235左右;橫橋向位移基本都小于0.23 m。

        (2)縱橋向橋墩的最大側(cè)移角發(fā)生在較高墩處(2#和4#墩,12 m),最大約1.53%;最高墩(3#墩)上設(shè)置滑板支座,位移相對(duì)較小,側(cè)移角為0.86%;橫橋向橋墩系雙柱式排架,剛度較縱向大,側(cè)移角基本都小于0.52%。

        (3)縱橋向支座剪應(yīng)變小于1.0,橫橋向基本小于1.1;支座處于安全狀態(tài)。

        表8 梁體位移表(R=100 m) m

        3.2.2 單向隔震

        沿縱橋向(切向)進(jìn)行隔震、橫橋向(徑向)不隔震,在近斷層地震動(dòng)作用下,主梁、橋墩和支座的地震反應(yīng)與雙向隔震相比,在縱橋向出現(xiàn)了明顯變化:左聯(lián)縱橋向主梁位移約0.31 m,要大20%左右;縱橋向橋墩的最大側(cè)移角發(fā)生在較高墩處(4#和6#墩,12 m),最大約1.98%,提高了25%以上。這與大半徑曲線折梁橋出現(xiàn)了明顯不同。

        表9 橋墩位移(R=100 m) m

        表10 支座位移(R=100 m) m

        3.2.3 豎向地震反應(yīng)

        時(shí)程分析表明:小半徑曲線折梁橋支座的豎向地震反應(yīng)與大半徑橋類(lèi)似,支座都處于受壓狀態(tài)。

        綜合以上分析,可見(jiàn)小半徑曲線折梁橋與大半徑曲線折梁橋相比,呈現(xiàn)更為明顯的空間耦合反應(yīng),其雙向隔震和單向隔震結(jié)構(gòu)反應(yīng)明顯不同,且支座處于更不利的受力狀態(tài)。而大半徑曲線折梁橋更接近于直梁橋,其縱橋向和橫橋向地震反應(yīng)趨于獨(dú)立。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        曲線折梁橋在山區(qū)采用較多且半徑較小,其抗震問(wèn)題不容小覷。本文以?xún)勺煌拾霃綐蛄旱膶?duì)比,研究了地震反應(yīng)特性。從自振特性看,其表現(xiàn)為平扭耦合的特點(diǎn),并且曲率半徑越小平扭耦合空間振動(dòng)越顯著。當(dāng)曲線折梁橋曲率半徑較小時(shí)(本文R=100 m)采用雙向隔震設(shè)計(jì)是合適的,可以更好地控制其地震反應(yīng);而曲線折梁橋曲率半徑較大時(shí)(本文R=500 m),其地震反應(yīng)更接近于直梁橋的情況,可以采用類(lèi)似的隔震設(shè)計(jì)方案。小半徑曲線折梁橋雙向隔震要注意防止支座受拉,或保證其要大于最小允許壓力或施加豎向拉力的構(gòu)造措施(或可施加少量預(yù)壓力)等。為更好地保證支座受力計(jì)算的準(zhǔn)確,上部結(jié)構(gòu)除空間建模外,還應(yīng)充分注意到主梁質(zhì)心高度的影響,在梁端部以剛性橫梁或剛性臂的形式予以考慮。

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