張 弓,王 智,郝硯琪
(太原市高速鐵路投資有限公司,山西 太原 030001)
FPQZ摩擦擺式減隔震球形支座巧妙地利用了鐘擺原理,通過球形摩擦副的運動,使上部結(jié)構(gòu)發(fā)生單擺運動,擺動過程中通過摩擦阻尼耗能,支座的周期和剛度通過選取合適的球面半徑來控制,阻尼由動摩擦系數(shù)提供,擺動裝置提供的恢復(fù)力又可使支座重新回到中心位置。
本工程采用豎向承載力為15 000 kN(或者27 500 kN),減隔震位移量為±300 mm,球面半徑為4 m,低溫(-40℃~-25℃)固定型、單向活動型、雙向活動型三類摩擦擺球形支座。
FPQZ系列摩擦擺球型支座一般由上支座板、不銹鋼板、上耐磨板、球冠、下耐磨板、橡膠密封環(huán)、下支座板、限位裝置及錨固組件等組成。FPQZ-GD型,材料構(gòu)成見圖1,通常設(shè)置于固定墩,其在正常工況下為固定支座,地震時限位板剪斷,支座雙向減隔震。
圖1 固定型支座
FPQZ-DX型,材料構(gòu)成見圖2,該支座可用作縱向活動型或橫向活動型,當(dāng)用于縱向活動型時,其在橫橋向設(shè)有限位板,縱橋向可自由位移,地震時橫橋向限位板剪斷,支座雙向減隔震;FPQZ-SX型,材料構(gòu)成見圖3,其在正常工況下可以任意方向活動,地震時雙向減隔震。
圖2 單向活動型支座
圖3 雙向活動型支座
本結(jié)構(gòu)為3跨連續(xù)梁,跨中受力大,變形量大,在跨中兩側(cè)任一側(cè)布置一個固定墩,且為了避免對既有結(jié)構(gòu)的影響,故在靠近既有結(jié)構(gòu)側(cè)布設(shè)固定支座,另一側(cè)布設(shè)單向滑動支座,以免應(yīng)力集中,固定墩縱向其余支座布置沿縱向單向滑動支座。其余支座均為雙向滑動支座。
摩擦擺球形支座作為連接上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的構(gòu)件,承受由上部結(jié)構(gòu)傳來的豎向力、水平力和彎矩,在設(shè)計過程中則分別體現(xiàn)為各種荷載的設(shè)計值。對球形支座而言,水平力和彎矩是由于橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)做相對運動時,受到支座的制約而產(chǎn)生的,可認為水平力是由于支座各部分相對運動時,由于滑動摩擦或滾動摩擦而產(chǎn)生的。
摩擦擺球形支座的豎向承載力分為30個等級,從1 000 kN到60 000 kN,可以根據(jù)設(shè)計荷載組合計算求得的外力,據(jù)實選取,本工程選取的豎向荷載為15 000 kN和27 500 kN。
2.3.1 彈性靜力位移驗算
設(shè)兩橋墩之間的長度為L,橋梁合龍溫差與使用時絕對最大溫差為T(根據(jù)地方歷史資料查詢),鋼筋混凝土的線膨脹系數(shù)為a,則這兩墩之間梁的最大理論位移量為:V=L×T×a/2;除此之外,還要考慮橋墩變形(縱向)和橋墩豎向沉降、橋面車輛荷載制動力(同時幾輛車集體剎車)、混凝土收縮、徐變等影響,所以設(shè)計值應(yīng)當(dāng)是V±deta(這個deta前面有正負號,因為有反方向的因素(例如溫度降低)存在)。
2.3.2 延性設(shè)計隔震位移驗算
利用MIDAS Eivil有限元軟件,建立模型(見圖4),可以計算支座剪切力(f)與剪切變形(d)的關(guān)系。
圖4 恢復(fù)力模型
f = -P/R×d-P×μ×z
(1)
(2)
(3)
恢復(fù)力模型采用的3個公式的含義如下。
2)式(2)為微分方程,涉及變量:結(jié)構(gòu)剛度k:結(jié)構(gòu)確定剛度既定;軸力P:由外荷載決定。等效摩擦系數(shù)μ:由公式3求的;Sign:符號函數(shù);滯回參數(shù):均可采用默認值0.5。
3)式(3)涉及參數(shù)包括:μf/μs:快時、慢時摩擦系數(shù);r:摩擦系數(shù)變化參數(shù);v:剪切變形速度(剪切位移的導(dǎo)數(shù))。
一般廠家會提供各規(guī)格支座實驗數(shù)值,通過實驗數(shù)據(jù)可得到快時及慢時摩擦系數(shù)。速度變化參數(shù)r實際是按上述公式擬合曲線得到的參數(shù);μ一般為0.01~0.06,根據(jù)產(chǎn)品實驗曲線比較容易確定;r一般取20sec/m這個數(shù)量級。
針對摩擦擺減震、隔震支座初始剛度K1,根據(jù)美國的經(jīng)驗,可取d=2.5 mm位移時的等效剛度,K=F/d=μw/d。
設(shè)計參數(shù)及程序處理方式見表1。
表1 參數(shù)表
1)支座驗收宜在加工廠內(nèi)進行,因工廠內(nèi)便于拆裝和再加工。驗收者可隨機抽樣,打開檢測任何指標。項目各方聯(lián)合驗收后簽字蓋章,主要驗收工作即告完成。
2)支座出廠時,表面已涂兩道防銹漆(有特殊要求可事先提出,否則由加工廠處理),厚度應(yīng)在80 ~100 μm,但運輸、貯存、安裝過程仍應(yīng)注意不要磕碰。當(dāng)有金屬表面裸露時,應(yīng)重新涂漆。整個運輸、貯存、保管、安裝及養(yǎng)護期均應(yīng)采取防水、防潮、防火措施,以免內(nèi)部進水、受潮生銹或高溫破壞內(nèi)部質(zhì)量。
3)支座須在閉合狀態(tài)(出廠供貨狀態(tài))下與上部結(jié)構(gòu)(橋梁等)螺栓連接或焊接,本項目上部采用鋼箱梁結(jié)構(gòu),支座預(yù)埋鋼板與鋼箱梁焊接。因現(xiàn)場無組裝機具且衛(wèi)生條件惡劣又無備用輔料,故不得拆卸,以免灰塵、水、異物、潮氣和臟物進入支座內(nèi)部后無法修復(fù)。
4)上部結(jié)構(gòu)(帶支座)安裝到位后,支座底板應(yīng)落在柱頂預(yù)埋鋼板的設(shè)計位置和設(shè)計標高上。
5)上、下部結(jié)構(gòu)與支座連接的連接板、預(yù)埋板應(yīng)平整,除銹應(yīng)達到St2.5等級。連接板與鋼筋砼基礎(chǔ)和預(yù)埋板應(yīng)平行。如支座板與上下連接板不密合,需用楔鐵楔緊后再用高強、早強、微漲灌漿料(如RG灌漿料)或環(huán)氧砂漿灌縫,待固化后再用高強螺栓擰緊或焊接。四角和中心相對誤差應(yīng)小于0.1%,且應(yīng)小于1.5 mm,標高絕對誤差小于3 mm。預(yù)埋鋼板受力應(yīng)滿足設(shè)計單位對拉力、壓力和剪力的要求,故需要驗算錨筋的數(shù)量和直徑,必要時錨筋應(yīng)與墩內(nèi)主筋焊接牢固。安裝誤差須嚴格控制。安裝前應(yīng)有坐標位置、絕對標高、四角相對標高誤差記錄和處理記錄。
6)全部恒載安裝到位后,待達到或接近全年平均溫度時,再將支座底板與柱頂預(yù)埋鋼板焊接牢固。
7) 焊接采用的焊條應(yīng)與母材相適應(yīng),即焊條強度應(yīng)大于等于母材。如母材碳當(dāng)量較高,需按焊接規(guī)范采取特殊措施。一般工程采用50系列焊條,根據(jù)底板坡口尺寸連續(xù)滿焊,焊縫等級為普通焊縫。但焊縫應(yīng)采用多道分層焊接,每層焊后用小錘敲打,去除焊藥并釋放焊接應(yīng)力。焊前必須經(jīng)過焊接工藝評定,焊工考核合格證,方可上崗正式施焊。
8)全部支座安裝就位并焊接后,再拆除支座上蓋與底座間的連接鋼板,使支座能自由轉(zhuǎn)動。上蓋和底座的連接鋼條(鋼板)不得作為支座吊裝、安裝就位的吊點。
9)支座安裝后應(yīng)做觀測記錄(標高、位移、變形、銹蝕、焊縫狀況等),橋梁主體結(jié)構(gòu)卸載前后進行一次觀測,成橋后再進行一次觀測,此后2年內(nèi)每半年進行一次觀測、檢查、記錄和保養(yǎng),并與以前結(jié)果進行對比。2年后此周期為每年1次,檢查內(nèi)容包括:外觀檢查、絕對標高變化、形狀變化、支座位移值及轉(zhuǎn)角值、焊縫變化和防銹涂層的變化,檢查結(jié)果應(yīng)做記錄并存檔。如觀測有困難,應(yīng)設(shè)置相應(yīng)構(gòu)造以利觀測。如不正常,應(yīng)采取措施,并應(yīng)通知支座生產(chǎn)廠及設(shè)計單位。
摩擦擺球型抗震支座既可以承受較大的豎向荷載,起到減小蓋梁或墩柱截面的作用,又可以通過支座巧妙的位移功能,起到釋放溫度、收縮應(yīng)力、延性變形的作用,應(yīng)用前景廣闊。
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