淺談地震作用下纜索限位裝置的防落梁設(shè)計(jì)

淺談地震作用下纜索限位裝置的防落梁設(shè)計(jì)

0防止落梁裝置設(shè)計(jì)目前，中國(guó)的防傾斜梁裝置通常被視為結(jié)構(gòu)措施，無(wú)法進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，因此很難在地震的作用下對(duì)其進(jìn)行真正的限制。對(duì)于防落梁裝置的結(jié)構(gòu)模式,美國(guó)、日本等國(guó)的許多學(xué)者對(duì)減輕伸縮縫處相鄰梁體間的碰撞、限制相鄰梁體間和墩梁間相對(duì)位移的方法與措施曾進(jìn)行大量研究。在連續(xù)梁橋中,通常使用的限位裝置主要有兩類:①?gòu)椥赃B接裝置;②阻尼器,其中在橋梁中應(yīng)用較為成熟的是黏滯阻尼器。彈性連接裝置用于限制在預(yù)期地震作用下橋梁伸縮縫或支座處產(chǎn)生過(guò)大的變位,一種方式是美國(guó)經(jīng)常采用的墩梁連接的限位裝置(如圖1(a),以下簡(jiǎn)稱限位裝置);另一種方式是日本經(jīng)常采用的直接連接梁體的連梁裝置(如圖1(b),以下簡(jiǎn)稱連梁裝置)。在地震作用下,對(duì)于連梁裝置,允許主梁脫座但不落梁,由防落梁裝置承擔(dān)橋跨一半的重量;對(duì)于限位裝置,是通過(guò)限制梁墩的相對(duì)位移而不使主梁落梁.對(duì)于兩種防止落梁的方式所采用的設(shè)計(jì)方法也不同,連梁裝置的設(shè)計(jì)主要是采用日本的連梁的設(shè)計(jì)從兩個(gè)設(shè)防水平防止上部結(jié)構(gòu)在地震作用下發(fā)生落梁破壞,即規(guī)定支撐寬度的設(shè)計(jì)值和按兩個(gè)設(shè)防水平設(shè)計(jì)的第一道約束裝置和第二道約束裝置。第一道約束裝置為限位裝置,設(shè)計(jì)移動(dòng)間隙(即松弛長(zhǎng)度)要大于支座在小震等級(jí)下的變形量,即在小震和正常使用時(shí)約束裝置不起作用。第二道約束裝置的抗拉力為支座反力的1.5倍。此道裝置是防止梁體坍塌破壞。日本關(guān)于防落梁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與AASHTO方法類似,也是一種靜力設(shè)計(jì),沒(méi)有考慮相鄰框架的相對(duì)位移,w/2法通過(guò)增大系數(shù)來(lái)考慮落梁的動(dòng)力影響。限位裝置的設(shè)計(jì)方法比較多,主要考慮的因素有伸縮縫處相鄰結(jié)構(gòu)單元的周期、伸縮縫間隙、限位裝置松馳量等。Caltrans規(guī)范建議,對(duì)于墩梁相連的限位裝置,由于限位裝置被設(shè)計(jì)在彈性范圍,墩梁之間最大可能允許位移就是限位裝置的屈服位移與拉索松弛量之和,可利用的支座寬度必須大于限位裝置的屈服位移與拉索松弛量之和。當(dāng)使用限位裝置時(shí),通過(guò)限位裝置傳遞到橋墩的附加力可能使橋墩失效,此時(shí)采用連梁裝置的防落梁模式是較合適的。另外,當(dāng)橋梁跨數(shù)較少和支座寬度較大的情況下,也可采用連梁裝置。Caltrans規(guī)范這種方法的缺點(diǎn)是忽略了支座的作用;對(duì)于一個(gè)非常剛的框架和一個(gè)非常柔的框架,計(jì)算的相鄰框架相對(duì)位移較小;Caltrans規(guī)范對(duì)于非協(xié)調(diào)框架(兩框架自振周期相差較大)的設(shè)計(jì)偏于不安全,而對(duì)于協(xié)調(diào)框架(兩框架自振周期比接近1)的設(shè)計(jì)又是保守的。Saiidi等人對(duì)一座九跨的橋梁進(jìn)非線性時(shí)程分析,研究了限位裝置的橫截面積與間隙長(zhǎng)度對(duì)限位裝置設(shè)計(jì)的影響。指出了設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)基于有無(wú)限位裝置兩種不同的工況用于確定限位裝置的設(shè)計(jì)力與位移Trochalakis對(duì)于橋跨、橋臺(tái)與限位裝置的特性進(jìn)行參數(shù)分析,表明兩跨最大相對(duì)位移與相鄰兩跨的剛度比、等效周期及限位裝置的特性有關(guān)。Abdel-Ghaffar等人研究纜索限位裝置發(fā)現(xiàn)限位裝置對(duì)全橋的反應(yīng)影響不是很大,但是在強(qiáng)震作用下限位裝置能明顯的減少結(jié)構(gòu)的力與位移反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明,限位裝置能有效的防治落梁。然而由于限位裝置的作用會(huì)改變相鄰跨的碰撞作用,將作用力傳遞到橋墩。利用有限元程序opensees考慮地基、橋墩彈塑性建立兩種有無(wú)纜索限位裝置的兩聯(lián)變高墩橋梁分析模型,并參數(shù)分析了伸縮縫處相鄰兩聯(lián)基本周期比(通過(guò)變換固定墩的高度);支座摩擦的影響;限位器的剛度(限位裝置拉索的數(shù)量);纜索的松弛長(zhǎng)度。對(duì)纜索限位裝置的限位效果進(jìn)行分析探討。1灌注樁、墩設(shè)計(jì)某典型多跨變墩高兩聯(lián)連續(xù)梁((3×30+4×30)m)如圖2和圖3所示,橋墩采用C30混凝土,主梁采用C50混凝土,橋墩墩號(hào)1~8對(duì)應(yīng)墩高分別為5、10、15、20、25、20、10、5m,樁基礎(chǔ)采用6Φ1.2m鉆孔灌注樁。梁的參數(shù):截面積5.711m2;扭轉(zhuǎn)慣性矩2.081m4;橫向慣性矩68.782m4;豎向慣性矩1.737m4。墩的參數(shù):截面積3.000m2;扭轉(zhuǎn)慣性矩1.010m4;橫向慣性矩0.360m4;豎向慣性矩1.563m4。2#墩和6#墩墩頂縱向設(shè)固定支座,其余各墩縱向?yàn)榛瑒?dòng)支座。伸縮縫ΔG間隙取為16cm。橋墩采用纖維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,主梁采用一般梁?jiǎn)卧M,通過(guò)在承臺(tái)底采用六個(gè)彈簧模擬樁基礎(chǔ)的作用。1.1伸縮縫初始間隙的ue研究采用Kelvin碰撞模型進(jìn)行相鄰梁體的碰撞模擬。Kelvin碰撞模型采用一個(gè)剛度為Kk的線性彈簧與阻尼器ck并聯(lián)來(lái)模擬剛體的碰撞(如圖4所示)。其中接觸力Fc如下:{Fc=Κk(u1-u2-ΔG)+ck(˙u1-˙u2)u1-u2-ΔG≥0Fc=0u1-u2-ΔG<0(1){Fc=Kk(u1?u2?ΔG)+ck(u˙1?u˙2)u1?u2?ΔG≥0Fc=0u1?u2?ΔG<0(1)式中,ΔG為伸縮縫初始間隙;Kk為接觸剛度,取為梁體的軸向剛度。碰撞過(guò)程中的能量損失采用阻尼器來(lái)反映,阻尼的大小與碰撞過(guò)程的恢復(fù)系數(shù)e有關(guān),對(duì)于完全彈性碰撞,恢復(fù)系數(shù)e=1;對(duì)于完全塑性碰撞,恢復(fù)系數(shù)e=0。對(duì)于混凝土材料e取0.65。根據(jù)恢復(fù)系數(shù),可得到阻尼ck的計(jì)算公式為ck=2ξ√k(m1m2m1+m2)(2)ck=2ξk(m1m2m1+m2)????????√(2)式中,ξ為阻尼比。u1,u2分別為伸縮縫處相鄰主梁的位移;˙uu˙1,˙u2分別為伸縮縫處相鄰主梁的速度。1.2動(dòng)支護(hù)的模擬(1)對(duì)于固定墩上的固定支座假設(shè)地震作用下不發(fā)生破壞,因此采用用墩-梁鉸接連接方式模擬支座的效應(yīng);(2)對(duì)于其它的單向滑動(dòng)支座,近似采用理想彈塑性連接單元進(jìn)行模擬,滯回曲線屈服力Fy(即滑動(dòng)起始摩擦力取支座恒載軸壓力R乘以動(dòng)摩擦系數(shù),在橋梁初始模型中動(dòng)摩擦系數(shù)對(duì)所有滑動(dòng)摩擦支座均取0.02Fy=0.02R(3)初始剛度K為屈服力Fy與屈服位移Xy(即滑動(dòng)起始靜位移,取δy=0.002m)之比Κ=Fy/δy(4)f={Κr(Dr-Ds)Dr-Ds>00Dr-Ds≤0}(5)1.3限位裝置剛度連續(xù)梁伸縮縫處的防落梁裝置(如圖1)的分析模型如圖5。Ds為連梁裝置的松弛量,Kr為連梁裝置的剛度,Ds1,Ds2分別為左聯(lián)連續(xù)梁和右聯(lián)連續(xù)梁的限位裝置松弛量,Kr1,Kr2分別為左聯(lián)連續(xù)梁和右聯(lián)連續(xù)梁的限位裝置剛度。2結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性評(píng)估在多條地震波(見(jiàn)表1)縱向輸入下,對(duì)連續(xù)梁橋進(jìn)行非線性時(shí)程分析,地震波加速度峰值調(diào)整至0.7g,代表結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)性評(píng)估的地震波峰值。計(jì)算結(jié)果均取表1中地震波輸入計(jì)算的平均值。PGA為地震波加速度峰值,Tg為地震波的特征周期。3纜索的加速度譜和限位裝置的設(shè)計(jì)內(nèi)容限位裝置初始值采用Desroches和Fenves提出的疊代方法(TheIterativeMethod)進(jìn)行限位裝置的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)所采用的加速度譜為表1的4條地震波(加速度峰值調(diào)整至0.7g)的平均加速度譜。限位裝置采用直徑19mm的纜索(面積143mm2),纜索長(zhǎng)度L取為5.4m,纜索的彈性模量E=6900MPa,纜索屈服應(yīng)力Fy=1214MPa,限位裝置松弛量Ds1和Ds2均取為80mm。由于限位裝置被設(shè)計(jì)在彈性范圍內(nèi),限位裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)位移Dr。Dr=Dy+D0(6)式中,Dy為纜索的屈服位移,D0為限位裝置的松弛量。采用的纜索限位裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)位移Dr=175mm。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì),對(duì)于變墩高連續(xù)梁橋的限位裝置,左右聯(lián)梁體與過(guò)渡墩的纜索限位裝置剛度Kr1和Kr2均為992kN/m,屈服力為173.6kN。4參數(shù)分析這里主要分析參數(shù)如下:①伸縮縫處相鄰兩聯(lián)基本周期比(通過(guò)變換固定墩的高度);②限位器的剛度;③限位裝置的松弛長(zhǎng)度。4.1墩高及基本周期比對(duì)墩-梁的相對(duì)位移影響本節(jié)借鑒國(guó)外學(xué)者的研究經(jīng)驗(yàn),通過(guò)改變連續(xù)梁橋一聯(lián)的基本周期而保持過(guò)渡墩與另外一聯(lián)的動(dòng)力特性不變,來(lái)探討基本周期比對(duì)墩-梁相對(duì)位移的影響。通過(guò)改變左聯(lián)2#墩的高度來(lái)改變左聯(lián)的基本周期,此時(shí),左聯(lián)與過(guò)渡墩的周期比便隨2#墩高度的改變而改變,同時(shí),左聯(lián)與右聯(lián)基本周期比也隨3#墩高度改變,通過(guò)非線性時(shí)程直接積分方法計(jì)算不同周期比下右聯(lián)主梁與過(guò)渡墩的最大相對(duì)位移,得出左右兩聯(lián)基本周期比對(duì)墩-梁相對(duì)位移的影響規(guī)律。其中,2#墩高及基本周期比關(guān)系以及各個(gè)工況下的墩-梁最大相對(duì)位移的結(jié)果如表2~表5所示。左聯(lián)的縱向周期為1.122s,右聯(lián)的縱向周期為3.944s,左右聯(lián)的周期比為0.28;過(guò)渡墩的縱向周期為0.762s。在表格中為了表達(dá)方便,設(shè)β為有限位裝置效果,采用(無(wú)限位裝置反應(yīng)-有限位裝置反應(yīng))/有限位裝置反應(yīng)。由表4可見(jiàn),限位裝置對(duì)梁體與過(guò)渡墩相對(duì)位移有明顯的限位效果,同時(shí)隨著左聯(lián)與過(guò)渡墩周期比的增大,右聯(lián)與過(guò)渡墩相對(duì)位移的限位效果減小。右聯(lián)在無(wú)限位裝置時(shí),右聯(lián)與過(guò)渡墩的相對(duì)位移隨著周期比的增大而減小。右聯(lián)在有限位裝置時(shí),右聯(lián)與過(guò)渡墩的相對(duì)位移基本保持不變。左聯(lián)由于周期變大,梁體的相對(duì)位移將變大,限位效果不隨著左聯(lián)與過(guò)渡墩周期比的增大而減小。由表6可見(jiàn),限位裝置對(duì)固定墩頂位移的限位效果不明顯,固定墩頂位移由于左聯(lián)的周期變大而變大,右聯(lián)的固定墩頂位移保持不變。而相比于無(wú)限位裝置時(shí),過(guò)渡墩的墩頂位移會(huì)增大。由表5可見(jiàn),限位裝置對(duì)左右聯(lián)相對(duì)離開(kāi)位移與碰撞力有明顯的限位效果。在周期比增大到0.87時(shí),左右聯(lián)之間非同向振動(dòng)減小到0.12小于伸縮縫的寬度0.16,不會(huì)發(fā)生梁體碰撞,碰撞力減小為零。4.2限位裝置纜索數(shù)量dn的整數(shù)在表4裝有限位裝置的梁體與過(guò)渡墩相對(duì)離開(kāi)位移左右聯(lián)與墩的相對(duì)位移都大于了175mm,說(shuō)明按照Desroches和Fenves提出的疊代方法設(shè)計(jì)的限位裝置都已經(jīng)超過(guò)設(shè)計(jì)目標(biāo)位移,說(shuō)明限位裝置中纜索數(shù)量偏少,因此針對(duì)計(jì)算實(shí)例,對(duì)限位裝置中纜索的數(shù)量進(jìn)行參數(shù)分析,限位裝置中纜索的數(shù)量N分別取Desroches和Fenves疊代方法設(shè)計(jì)的限位裝置纜索數(shù)量dN的整數(shù)倍,即限位裝置的剛度和屈服強(qiáng)度是Desroches和Fenves疊代方法設(shè)計(jì)的限位裝置剛度和屈服強(qiáng)度的整數(shù)倍。左右限位裝置的剛度Kr1與Kr2相等,初始纜索松弛量80mm不變。選擇的參數(shù)見(jiàn)表6。由表7可見(jiàn),右聯(lián)在有限位裝置剛度不變時(shí),右聯(lián)與過(guò)渡墩的相對(duì)位移基本保持不變,隨著限位裝置剛度的增大,左、右聯(lián)梁體與過(guò)渡墩相對(duì)位移減小。由表8可見(jiàn),在兩聯(lián)周期比相差較大時(shí),增加限位裝置的剛度對(duì)減小兩聯(lián)相對(duì)位移效果明顯,在周期比為0.28與0.55與8倍的限位裝置剛度時(shí),兩聯(lián)的相對(duì)位移分別為0.26與0.20,限位裝置屈服。在兩聯(lián)周期比相差較大時(shí)難以保證限位裝置不屈服。在兩聯(lián)周期比相差較小時(shí),如果限位裝置沒(méi)有屈服,增加限位裝置的剛度不會(huì)減小兩聯(lián)的相對(duì)位移。由表9可見(jiàn),隨著限位裝置剛度的增大,左聯(lián)與過(guò)渡墩的墩頂位移基本不變,而右聯(lián)的固定墩墩頂位移有所減小。4.3在不同松弛長(zhǎng)度條件下的穩(wěn)定性對(duì)于纜索限位器的松弛長(zhǎng)度S分別取為50、80、100、120mm四個(gè)不同的值,剛度均取992kN/m屈服力173.6kN。這樣纜索限位裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)位移分別為Dr=145mm、175mm、195mm、215mm。由表10可見(jiàn),松弛長(zhǎng)度變大時(shí),右聯(lián)與過(guò)渡墩的相對(duì)位移基本保持不變,在兩聯(lián)動(dòng)力特性相差大時(shí),左聯(lián)與過(guò)渡墩的相對(duì)位移隨著松弛長(zhǎng)度的增加而變大。在兩聯(lián)動(dòng)力特性相差小時(shí),左聯(lián)與過(guò)渡墩的相對(duì)位移隨著松弛長(zhǎng)度的增加而保持不變。由表11可見(jiàn),松弛長(zhǎng)度的