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        摩擦擺和鉛芯橡膠支座在鐵路鋼混結(jié)合梁橋上選用對比研究

        2021-07-10 08:57:52
        鐵道建筑技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:鉛芯鋼混墩頂

        靳 飛

        (中土凱明工程咨詢有限公司 北京 100038)

        1 工程背景

        阿爾及利亞175鐵路項目為雙線有砟無縫線路,區(qū)間線間距4 m,設(shè)計時速為客車160 km和貨車100 km,電氣化牽引。橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度12.82m,全線橋梁總長度近20 km,大部分橋梁處于山區(qū)高烈度地震帶區(qū)域(50年超越概率為10%的水平地震動峰值加速度在0.25~0.4 g之間),全線橋梁墩高變化較大,最大墩高為61 m左右。全線橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣,有簡支鋼混組合梁,連續(xù)鋼混組合梁、簡支鋼桁梁、混凝土連續(xù)剛構(gòu)等。海外工程大多為設(shè)計施工總承包,即EPC模式,設(shè)計不僅要考慮結(jié)構(gòu)的安全性,最重要的是經(jīng)濟性,同時應(yīng)業(yè)主要求還要考慮運營通車后的維修便捷性和成本[1]。所以位于高烈度地震帶的山區(qū)鐵路橋梁,研究采用哪種抗震方法和減隔震支座所獲得的抗震效果最好、橋梁經(jīng)濟指標(biāo)最低和震后修復(fù)便捷是一個極為復(fù)雜的工作[2]。本文篇幅有限,僅對鉛芯橡膠支座和摩擦擺支座在本項目上的應(yīng)用進(jìn)行簡要對比分析和評價,得出較為適合本項目的減隔震支座。

        2 阿爾及利亞175項目減隔震支座選用主要原則

        本項目抗震設(shè)計所采用的主要標(biāo)準(zhǔn)為阿爾及利亞抗震規(guī)范RPOA2008,輔以EN1998-2、NF EN1991-2和NF EN15129,橋梁抗震方法、減隔震裝置和梁端限位裝置的選用主要遵循以下5項原則[3]:(1)制動力和牽引力作用下,橋跨之間或橋跨和橋臺之間的梁面絕對位移不大于5 mm,梁軌快速相對位移不大于4 mm。在常遇地震(30%極限地震力)工況下梁面最大位移不超過20 mm;(2)震后維修工作量最小化;(3)發(fā)生常遇地震后,橋梁必須保持完整正常運營功能;(4)發(fā)生罕遇地震后,經(jīng)過對部件進(jìn)行最小程度的修復(fù)或更換后,可及時恢復(fù)使用功能,并且梁部具有良好的復(fù)位性能;(5)成熟的產(chǎn)品和理想的使用實例反饋。

        3 減隔震支座主要種類及其作用

        用于鐵路橋梁上的減隔震支座主要有摩擦擺支座(FP)、鉛芯橡膠支座(LRB)和M型或E型彈塑性型鋼組合的盆式支座,由于M型或E型型鋼的彈塑性變形會產(chǎn)生殘余累計變形,無法提供良好的復(fù)位性能[4],因此本項目不考慮將此類型支座作為比選支座??拐鹪O(shè)計的核心是通過優(yōu)化橋梁結(jié)構(gòu)或設(shè)置耗能裝置達(dá)到消耗地震能量,從而減少地震對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞[5]。鉛芯橡膠支座主要通過滯回環(huán)消耗地震能量,進(jìn)入塑性的鉛芯棒將導(dǎo)致較低的支座剛度,延長橋梁結(jié)構(gòu)的震動周期[6]。摩擦擺支座主要通過延長橋梁結(jié)構(gòu)的震動周期達(dá)到減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)[7],以上兩種支座都能有效降低地震能量向梁部的傳遞,減少下部結(jié)構(gòu)承受的地震力,進(jìn)而降低下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標(biāo)。

        4 本項目擬采用的減隔震支座簡介

        4.1 摩擦擺支座(FP)

        摩擦擺支座根據(jù)滑動摩擦副的個數(shù)分為單曲面和雙曲面摩擦擺[8],兩種支座類型選擇主要取決于地震計算時上下支座板的相對位移,相對位移小則選擇單曲面摩擦擺,相對位移大則選擇雙曲面摩擦擺。單曲面摩擦擺的支座尺寸較大,導(dǎo)致墩頂帽尺寸大,雙曲面摩擦擺與之相反。摩擦擺支座的滑動面提供了摩擦阻尼耗能,鐘擺機理可以延長結(jié)構(gòu)的自振周期,通過調(diào)整曲面的曲率半徑可以調(diào)整隔震周期,曲面上的重力作用提供復(fù)位功能。對于正常使用下,保險栓是必不可少的部件,保證結(jié)構(gòu)在制動力/牽引力作用下和常遇地震下的位移要求;按照歐標(biāo)規(guī)范要求,保險栓抗剪斷力不應(yīng)小于以下兩個力的最大值:(1)制動或牽引力最大值的1.5倍;(2)常遇地震力。摩擦擺支座在保險栓剪斷后表現(xiàn)出極佳的減隔震效果,主要是由于摩擦擺隔震周期可以設(shè)置較長。

        雖然摩擦擺支座在國內(nèi)外一些鐵路橋上有使用的例子,但在歐洲鐵路橋設(shè)計中卻較少采用,主要考慮到以下5個方面原因:(1)不同的墩高和橋跨結(jié)構(gòu)對應(yīng)的保險栓剪斷力是不一樣的,當(dāng)摩擦擺支座使用較多時,保險栓的設(shè)計尺寸種類太多,如果減少保險栓的尺寸類型,勢必會導(dǎo)致一些橋墩在罕遇地震下由于保險栓沒有剪斷而造成下部結(jié)構(gòu)經(jīng)濟指標(biāo)較高;(2)當(dāng)罕遇地震下保險栓被剪斷,保險栓從工廠運輸?shù)浆F(xiàn)場安裝時間較長,不利于地震后交通的及時恢復(fù);(3)在活載反復(fù)碾壓下,滑動面磨損會影響支座壽命[9];(4)保險栓剪斷后,由于摩擦擺支座相對運動位移較大,需要采用較大尺寸的伸縮縫;(5)對于長聯(lián)連續(xù)梁的邊墩支座,溫度升降溫效應(yīng)產(chǎn)生梁體伸縮,摩擦擺支座的滑動面為圓弧面,將會導(dǎo)致軌頂抬升或降低,對鋼軌產(chǎn)生額外附加應(yīng)力[10]。

        4.2 鉛芯橡膠支座(LRB)和梁端橫向限位裝置

        鉛芯橡膠支座(見圖1)通過鉛芯彈塑性變形吸收能量,進(jìn)入塑性剪切變形后的支座具有柔性,延長結(jié)構(gòu)的運動周期[11],橡膠的彈性提供復(fù)位功能,對于聯(lián)長超過200 m的連續(xù)梁全橋使用LRB支座,邊墩支座由于溫度升降溫和制動力疊加,需要在縱向設(shè)置可滑移的LRBU支座,見圖 2。LRB抗震支座的特點主要有以下4點:(1)LRB的特點是有力就有位移,支座具有一定的柔度,不像摩擦擺支座(在剪力銷剪斷之前支座不會有相對位移,支座水平向剛度無限大),所以在常遇地震下,安裝LRB支座的下部結(jié)構(gòu)所受水平力較小,經(jīng)濟指標(biāo)較優(yōu);(2)裝置更換簡單;(3)由于其剛度在不同跨度之間耦合效應(yīng),明顯減少了獨立跨度之間的相對運動;(4)在罕遇地震發(fā)生后,進(jìn)入塑性的鉛芯可在常溫下再結(jié)晶,恢復(fù)鉛芯的初始剛度,不需要更換支座。

        圖1 鉛芯橡膠支座(LRB)示意

        圖2 用于長聯(lián)邊墩LRBU(縱向滑動)

        LRB對于鐵路橋梁來說,最大的缺點在于常規(guī)力下(列車橫向搖擺力)和車橋耦合橫向振動下提供的橫向剛度不足。針對這個問題,提出以下3個項措施解決此問題:(1)梁端設(shè)置橫向限位裝置,使得兩跨梁端無橫向相對位移,如圖3和圖4所示;(2)增加鉛芯棒個數(shù)和直徑,提高支座初始剛度;(3)罕遇地震下,在使用了LRB支座的墩頂設(shè)置防落梁裝置[12],防止LRB支座剪切變形過大導(dǎo)致支座失效后的落梁事故發(fā)生。

        圖3 梁端限位裝置立面圖

        圖4 梁端限位裝置平面圖

        5 摩擦擺支座(FP)和鉛芯橡膠支座(LRB)的減震效果比較

        本文選取阿爾及利亞175鐵路項目中一座代表性鐵路橋梁(鋼混組合簡支梁)進(jìn)行減隔震效果對比分析。選取3種荷載工況和2種支座類型分別進(jìn)行計算。3種荷載工況分別是:工況1,制動力/牽引力;工況2,常遇地震(常遇地震力為罕遇地震力的30%);工況3,罕遇地震。2種支座類型分別是:摩擦擺支座(FP)和鉛芯橡膠支座(LRB)。限于篇幅,本文僅列舉部分墩臺的計算結(jié)果。

        5.1 代表性橋概況

        該橋由6孔50 m簡支梁組成,全橋位于直線上,主要墩高分布在12.5~30 m之間,墩臺均采用樁基礎(chǔ),見圖5。梁部均采用鋼混組合梁,工字鋼梁與混凝土橋面板疊合在一起,見圖6和圖7。橋址處50年超越概率為10%的水平地震動峰值加速度為0.25 g。本橋選取的FP支座主要參數(shù)為:豎向承載力9 000 kN,最大容許水平位移15 cm,摩擦系數(shù)5%,球面曲率半徑5 m,保險栓尺寸根據(jù)不小于制動/牽引力最大值的1.5倍或常遇地震力的較大值而定。本項目選取的LRB支座主要參數(shù)為:初始剛度K1=49 895 kN/m,屈服后剛度K2=2 668 kN/m,鉛芯屈服強度fy地震力作用下為10 MPa,制動力下為5 MPa,溫度力下為3 MPa,徐變效應(yīng)下為0 MPa。

        圖5 代表性橋-鋼混組合簡支梁(單位:m)

        圖6 鋼混組合簡支梁跨中橫斷面(單位:m)

        圖7 鋼混組合簡支梁支座處橫斷面(單位:m)

        5.2 位移計算

        分別對該橋進(jìn)行工況1和工況2作用下的梁梁間和梁臺間相對位移計算。在工況1、工況2作用下,各支座方案順橋向梁梁之間和梁臺之間的相對位移均控制在5 mm范圍內(nèi),滿足歐標(biāo)規(guī)范要求,各支座方案順橋向梁梁之間和梁臺之間的相對位移均小于20 mm,滿足歐標(biāo)規(guī)范要求。

        5.3 支座剪力和減隔震系數(shù)η計算

        分別對代表性橋進(jìn)行工況2和工況3作用下的墩頂支座處地震剪力計算,對各支座方案下的地震剪力進(jìn)行對比。(1)工況2作用下:①縱橋向,采用FP支座的墩頂縱橋向水平地震剪力略小于采用LRB支座;②橫橋向,采用LRB支座的墩頂橫橋向水平地震剪力幾乎均小于采用FP支座,見表1。(2)工況3作用下:采用FP支座方案各墩頂支座處縱橫向水平地震剪力均遠(yuǎn)小于采用LRB支座方案,見表2。

        表1 工況2墩頂支座處水平剪力 kN

        表2 工況3墩頂支座處水平剪力 kN

        依據(jù)各支座方案在工況2和工況3作用下的墩頂支座處水平剪力計算結(jié)果,總結(jié)出該橋分別設(shè)置FP支座和LRB支座后的減隔震系數(shù)η(見表3)可得:(1)在常遇地震下,縱橋向FP和LRB方案η接近,橫橋向LRB方案明顯小于FP,可見在常遇地震下LRB方案的減隔震效果更好,原因在于常遇地震下FP支座的保險栓不被剪斷,F(xiàn)P支座的行為同普通支座,而LRB方案支座水平剛度要小于普通支座;(2)FP在常遇地震下減隔震率η高于LRB,在罕遇地震下減隔震率η低于LRB,原因在于FP方案的保險栓剪斷,F(xiàn)P預(yù)設(shè)的隔震周期對橋梁結(jié)構(gòu)周期的延長效果非常明顯,從而減少了地震反應(yīng),降低了水平地震剪力。

        表3 減隔震系數(shù)η

        5.4 小結(jié)

        本文選取的代表性橋在分別采用2種支座方案下的分析計算結(jié)果表明:LRB支座在常遇地震作用下,橫橋向減隔震效果比FP支座有較明顯優(yōu)勢,雖然在罕遇地震下FP支座減隔震效果比LRB有明顯優(yōu)勢,但是考慮到FP支座存在震后抗剪螺栓更換不方便等問題,本項目業(yè)主監(jiān)理最終選擇了LRB支座作為本項目橋梁的減隔震支座??紤]到LRB支座的初始剛度不如FP支座剛度大,在增加梁端橫向限位裝置的基礎(chǔ)上,也進(jìn)行了梁部橫向剛度相關(guān)計算。依據(jù)歐標(biāo)EN1990中A2.4.4.2.4條規(guī)定,梁部橫向自振頻率不得小于1.2 Hz和水平荷載引起的梁橫向彎曲曲率半徑不得小于9 500 m。對代表性橋靜力計算結(jié)果如下:梁部橫向自振頻率為1.37 Hz,梁部橫向水平最大位移在離心力作用下為8.3 mm,在橫向風(fēng)作用下為4.1 mm,在搖擺力作用下為1.4 mm,梁橫向水平位移合計為13.8 mm,水平曲率半徑為870 471 m,均滿足歐標(biāo)規(guī)范要求。

        6 結(jié)論

        本文介紹了摩擦擺支座(FP)和鉛芯橡膠支座的特點,通過選取代表性橋梁分別采用2種支座進(jìn)行抗震效果對比研究,結(jié)果表明FP支座雖然在罕遇地震工況下取得非常好的減隔震效果,考慮到本項目橋梁個數(shù)較多,橋梁墩高和跨度種類較多,若選用FP支座則保險栓的尺寸種類太多不利于本項目支座設(shè)計和制造,且保險栓剪斷后制作運輸?shù)綐蛭恢芷谳^長,不能滿足大震后及時通車的需求。而LRB支座計算、設(shè)計和制造均比FP支座簡單,大地震后不需要更換支座,震后橋梁恢復(fù)通車及時性方面要優(yōu)于FP支座,所以LRB支座在綜合比較后最終被業(yè)主監(jiān)理選用,采用LRB支座的橋梁在常遇地震和罕遇地震下可以大幅降低橋梁下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟指標(biāo),符合EPC模式下對項目經(jīng)濟性的要求。

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