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        隔震支座對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響分析

        2023-10-18 12:43:54
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2023年24期
        關(guān)鍵詞:有限元橋梁結(jié)構(gòu)

        陳 敏

        (武漢光谷建設(shè)投資有限公司,湖北 武漢)

        前言

        隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,交通建設(shè)也迎來了快速發(fā)展期,在過去的40 年內(nèi),我國建造了大量的市政橋梁及公路、鐵路橋梁。另一方面,近年來,地球地質(zhì)活動處于活躍期,地震發(fā)生頻率明顯增高,且高烈度地震的破壞程度也較以往有明顯增加[1-2]。地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的完整性對震后救災(zāi)有至關(guān)重要的作用。部分地區(qū)橋梁可能是進入重災(zāi)區(qū)的唯一途徑,一旦橋梁在地震作用下發(fā)生嚴(yán)重破壞,將會嚴(yán)重影響救援人員和車輛的進入,導(dǎo)致救援無法及時開展,造成嚴(yán)重的人員和經(jīng)濟損失[3-4]。

        橋梁結(jié)構(gòu)總體可分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu),上部結(jié)構(gòu)主要指主梁,下部結(jié)構(gòu)主要指橋墩、系梁、承臺和樁基。上下部結(jié)構(gòu)之間通??煞譃楣探Y(jié)和支座連接兩種方式。固結(jié)作用下,上下部結(jié)構(gòu)形成一個整體,地震作用下,兩者共同受力,破壞力從下部直接傳到上部,造成的破壞往往較為嚴(yán)重[2]。采用支座連接的橋梁由于支座的緩沖和延遲作用,上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的慣性力傳導(dǎo)至下構(gòu)時會被很大程度地減小,從而保證下構(gòu)的安全性。由于支座類型和作用原理的不同,相同上構(gòu)荷載的情況下,下構(gòu)所受到的地震作用也有較大區(qū)別[5-6]。減隔震支座旨在通過改變橋梁整體結(jié)構(gòu)的自振特性從而更大程度地減少下部結(jié)構(gòu)的破壞程度。

        1 工程概況

        某市政工程項目需新建道路2.5 km,其中除橋頭順接段采用路基方案,其余2.42 km 均采用橋梁方案減少占地,提供橋下通行空間。橋梁上構(gòu)選用便于施工和景觀相對較好的標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,下構(gòu)采用門架墩。其中一座橋梁恒海路大橋,為2×30 m 跨徑組合,兩端順接其他橋梁。橋梁支座初步設(shè)計時選用普通橡膠支座,定測外業(yè)驗收會議中專家提出研究減隔震支座在本項目的適用情況及預(yù)計效果。

        項目地處7 度區(qū),地震峰值加速度0.1 g,特征周期3.5 s,項目地類為二類。按照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG T 2231-01-2020)中規(guī)定,反應(yīng)譜公式為:

        式中:S 為加速度反應(yīng)譜;T 為周期;Smax為設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值;Tg為特征周期;T0為反應(yīng)譜直線上升段最大周期。

        2 支座數(shù)學(xué)模型

        支座位于簡支梁或連續(xù)梁的上下構(gòu)之間,起釋放轉(zhuǎn)動約束和豎向支撐的作用。在非地震作用下,上構(gòu)與支座之間主要為靜摩擦力,支座依靠橡膠的彈性變形來為上構(gòu)提供轉(zhuǎn)動自由度。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時,普通支座將地震作用從下構(gòu)傳至上構(gòu),結(jié)構(gòu)的特征周期并未發(fā)生改變,因此結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨著上構(gòu)質(zhì)量的增加而增加。

        當(dāng)采用減隔震支座時,地震作用下結(jié)構(gòu)的上下部之間傳力存在滯后,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的特征周期變大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的特征周期與地震反應(yīng)譜的周期越接近時,共振效應(yīng)越明顯,結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)也就越大。因此當(dāng)結(jié)構(gòu)的周期較地震反應(yīng)譜越遠(yuǎn),地震響應(yīng)也就越小。這就是減隔震的基本原理[5,7]。

        常見的非減隔震支座有普通板式支座和盆式支座等,減隔震支座有鉛芯橡膠支座等。鉛芯橡膠支座在地震作用下,通過鉛芯的變形來吸收能力,從而保證結(jié)構(gòu)的安全。兩種支座的力學(xué)模型如圖1 所示。

        圖1 支座力學(xué)模型(a.普通橡膠支座;b.減隔震支座)

        3 結(jié)構(gòu)有限元分析

        采用通用有限元分析軟件Midas civil 建立結(jié)構(gòu)的三維有限元模型。主梁、墩柱及樁基采用梁單元模擬,采用節(jié)點彈性約束模擬樁土作用,彈性約束的剛度通過“m”法計算獲得。通過彈性連接來模擬支座,通過調(diào)節(jié)連接的剛度模擬不同支座類型。全橋共有392個節(jié)點,378 個單元。有限元模型如圖2 所示。

        圖2 Midas civil 三維有限元模型

        通過對有限元模型施加地震時程曲線來分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。時程曲線由地震反應(yīng)譜擬合獲得,本文共分析三種不同擬合曲線的地震響應(yīng),并取平均值作為結(jié)構(gòu)在該反應(yīng)譜下的地震響應(yīng)。分別記錄橋梁橋墩在地震作用下的軸力及彎矩響應(yīng),并列表1、表2 所示。

        表1 主梁為30 m 跨徑時不同支座地震響應(yīng)

        表2 主梁為40 m 跨徑時不同支座地震響應(yīng)

        從表1 及表2 可以看出,相較于普通支座,采用減隔震支座后,橋墩的軸力及彎矩都有所降低,且相較于軸力,彎矩的減小幅度更加明顯。從截面的彎矩曲率分析可以知道,當(dāng)軸力相同時,彎矩越大,截面失穩(wěn)的概率越高;當(dāng)截面所受的彎矩相同時,軸力越大,截面失穩(wěn)的概率越小。在變化不大的情況下也可以理解為軸力對截面是有利的,彎矩是有害的??梢钥闯霾捎脺p隔震支座后,截面的安全性得到了明顯的提升。這是由于減隔震的加入使得整個結(jié)構(gòu)的基頻發(fā)生了變化,地震作用下發(fā)生共振的概率減小,產(chǎn)生的地震響應(yīng)減小。

        同時可以看出,當(dāng)主梁跨徑由30 m 調(diào)整為40 m時,橋墩軸力和彎矩相應(yīng)增加,但是調(diào)整前后減隔震支座的效果未發(fā)生明顯變化。這也表明減隔震支座對結(jié)構(gòu)的自重不敏感。因此在減隔震支座的設(shè)計時,可與普通支座一樣,僅考慮承載能力,無需額外考慮其他因素。

        從減隔震支座的受力模型可以看出,該種類型支座的減隔震效果主要受兩個參數(shù)的影響,在主梁采用30 m 跨徑不變的情況下,分別改變兩個參數(shù),然后分析結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng),如表3 所示。

        表3 不同支座參數(shù)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)

        從表3 中可以看出,當(dāng)改變減隔震支座剛度k1后,橋墩的軸力并未發(fā)生明顯變化,1、3 號墩的彎矩響應(yīng)未發(fā)生明顯改善,但2 號墩的軸力增加,彎矩有較為明顯的減小,這表明多跨結(jié)構(gòu)的跨中處對參數(shù)k1更為敏感。改變減隔震支座剛度k2 后,1、3 號墩的軸力有所增加,彎矩有較為明顯地減小,兩個響應(yīng)均朝有利方向改善,說明優(yōu)化參數(shù)k2 可以改善邊墩在地震作用下的影響。

        4 結(jié)論

        以一座兩跨簡支混凝土預(yù)制小箱梁為背景,介紹了減隔震支座與普通支座的力學(xué)模型,并分別將其運用在橋梁上,采用有限元方法分析了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),從分析結(jié)果中可以得出如下結(jié)論:

        (1) 在相同條件下,采用減隔震支座的橋梁相比采用普通支座的橋梁,橋墩底部的彎矩和軸力均有不同程度的減小,但軸力變化不大,彎矩減小較為明顯。

        (2) 減隔震支座對不同跨徑的橋梁作用效果相差不大,總體顯示跨徑更大的橋梁減隔震效果更明顯。

        (3) 減隔震支座的兩個剛度對中墩和邊墩有不同程度的減隔震效果,剛度K1 對中墩影響程度大于邊墩,剛度K2 則相反。

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