多跨連續(xù)梁橋墩處隔震措施對地震響應的影響

多跨連續(xù)梁橋墩處隔震措施對地震響應的影響

1橋梁隔震措施研究多段混凝土連續(xù)橋具有結(jié)構(gòu)剛性大、變形小的特點，在中國得到了廣泛的應用。但是對于連續(xù)梁橋來說,絕大多數(shù)上部結(jié)構(gòu)的地震作用都是由固定墩來承受,因而固定墩的抗震設(shè)計必須滿足強度和延性兩方面的要求。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法是增大橋墩和基礎(chǔ)的截面尺寸及配筋量,這不僅增加結(jié)構(gòu)造價,還帶來施工困難,甚至在一些高烈度地區(qū),即使采用延性抗震設(shè)計也很難滿足橋梁的抗震性能目標要求。為此經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn),采用隔震措施是解決此類問題較好的方法。橋梁隔震措施是通過延長結(jié)構(gòu)的自振周期避開地震卓越周期或減小地震能量輸入,從而達到降低結(jié)構(gòu)地震反應的目的,它具有減輕結(jié)構(gòu)地震反應、使主體結(jié)構(gòu)始終處于彈性工作狀態(tài),及震后修復方便等優(yōu)點。目前,國內(nèi)外學者對橋梁隔震措施的研究多數(shù)集中在隔震措施對大中跨度連續(xù)梁橋的適用性方面,而通過合理選擇實橋中的隔震支座,了解不同隔震支座對橋梁抗震性能影響的研究開展得較少。因此,對橋梁采用合理有效的隔震支座以確保其在地震中的安全性,有著十分重要的社會和經(jīng)濟意義。2灌排橋施工設(shè)計某工程為一座70m+4×120m+70m的六跨預應力混凝土變截面連續(xù)梁橋(圖1),上、下行分離,單幅橋?qū)?6.5m,混凝土梁采用單箱單室箱形截面,中支點梁高7.4m,跨中梁高3.0m。0~6號墩高分別為:14.87,12.42,14.91,15.76,14.91,12.42和16.30m,基礎(chǔ)為直徑2.2m的鉆孔灌注端承樁。該橋主要構(gòu)件的混凝土強度等級為:主梁C55、橋墩C40、承臺C35、樁基礎(chǔ)C35,其泊松比ν均為0.2,質(zhì)量密度均為2600kg/m3。根據(jù)設(shè)計資料,橋面二期恒載集度為87.7kN/m,采用B類抗震設(shè)防,場地抗震設(shè)防基本烈度為7度,抗震設(shè)防措施等級為8度。由于連續(xù)梁橋主梁是通過支座與墩、臺相互連接的,支座對橋梁地震反應有很大影響,當梁體與墩、臺之間采用固定支座連接時,墩、臺所受的地震水平力將非常大,使得固定墩順橋向成為抗震設(shè)計的關(guān)鍵,因此本文僅討論順橋向的隔震體系。對于該連續(xù)梁橋而言,由于只設(shè)置3號墩一處固定墩,使得該墩處于十分不利的受力狀態(tài)。因此,嘗試對該橋進行隔震設(shè)計,使地震作用下隔震裝置消耗大部分地震能量,從而降低下部結(jié)構(gòu)所承受的慣性力和延性需求。摩擦擺支座是通過滑動摩擦消耗地震能量,減震球型支座通過彈簧裝置保證恢復剛度及彈性變形來抵御地震輸入能量。本文采用摩擦擺支座和減震球型支座2種隔震體系進行對比研究,以期得出該橋隔震設(shè)計最優(yōu)方案和建議,供設(shè)計單位優(yōu)化設(shè)計時參考。3構(gòu)件特性分析本文采用通用有限元軟件ANSYS建立了該橋的三維有限元計算模型(圖2)。根據(jù)研究的需要,建立魚刺骨脊柱梁模型。其中,主梁、橋墩、承臺和樁基礎(chǔ)均采用空間梁單元Beam188模擬,剛臂采用Beam4單元模擬,支座采用非線性彈簧單元Combin39模擬,為考慮樁土效應建立樁基單元,采用m法模擬樁土相互作用,二期恒載采用三維質(zhì)量單元Mass21模擬。在模型中,各構(gòu)件截面特性、連接方式及邊界條件均按實際情況確定,力求較真實地反映實際結(jié)構(gòu)的力學特性。綜合考慮橋梁整體減隔震設(shè)計目標及梁縱向連接方式,為了使結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力較為合理,經(jīng)大量參數(shù)分析比較,本文確定2種隔震支座的參數(shù)如下:①摩擦擺支座,摩擦力1007.8kN,初始剛度503.9kN/mm,滑動剛度15.0kN/mm;②減震球型支座,摩擦力1007.8kN,初始剛度503.9kN/mm,滑動剛度10.0kN/mm。根據(jù)前期已完成的計算分析,并結(jié)合以往常規(guī)多跨連續(xù)梁橋的工程經(jīng)驗可知,在該六跨連續(xù)梁橋的3個中間墩處(圖1中的2~4號墩)設(shè)隔震支座效果較為理想。4振型特性分析為了掌握結(jié)構(gòu)的動力特性,對模型進行了模態(tài)分析。表1為該橋在采用抗震和2種隔震體系時前10階自振頻率及振型主要特性,從表1可以看出,體系的振型沒有因為支座形式的變化而改變,前10階振型特性均主要表現(xiàn)為主梁縱飄、豎向彎曲振動和橫向彎曲振動,反映了連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系的一般特點。2種隔震體系下,結(jié)構(gòu)的基頻分別為0.177Hz和0.206Hz,與抗震體系相比,分別降低了62.97%和56.91%。5地震動輸入模式依據(jù)抗震設(shè)計細則規(guī)定,此橋主跨屬于B類抗震設(shè)計類別,選取100年超越概率4%的地震動輸入(輸入模式為順橋向和橫橋向分別輸入),不考慮豎向地震動的作用,并采用《大橋工程場地地震安全性評價報告》提供的3條不同的地震加速度時程曲線,分析時取3條地震波響應結(jié)果的最大值。5.1號固定墩總彎矩和彎矩變化連續(xù)梁在3號墩采用固結(jié)體系,故其地震響應最大。因此,隔震的主要目標是減小3號墩的地震響應。抗震和2種隔震體系下,橋墩墩底、墩頂順橋向剪力Q和彎矩M分別見表2、表3,其隔震體系內(nèi)力與抗震體系內(nèi)力的差除以抗震體系內(nèi)力所得到的內(nèi)力相對值分別見表4、表5。從表2可以看出:未采取隔震措施時,各墩墩底的總剪力為5.637×104kN,總彎矩為8.100×105kN·m,3號固定墩承擔了31.6%的總水平剪力和35.9%的總彎矩;采用減震球型支座隔震時,各墩墩底的總剪力為2.789×104kN,總彎矩為4.672×105kN·m,3號固定墩承擔了18.1%的總水平剪力和24.2%的總彎矩;采用摩擦擺支座隔震時,各墩墩底的總剪力為2.744×104kN,總彎矩為4.530×105kN·m,3號固定墩承擔了18.2%的總水平剪力和23.3%的總彎矩。從表3可以看出:未采取隔震措施時,各墩墩頂?shù)目偧袅?.96×104kN,總彎矩為1.49×105kN·m,3號固定墩承擔了26.16%的總水平剪力和30.89%的總彎矩;采用減震球型支座隔震時,各墩墩頂?shù)目偧袅?.07×104kN,總彎矩為8.91×104kN·m,3號固定墩承擔了23.13%的總水平剪力和28.78%的總彎矩;采用摩擦擺支座隔震時,各墩墩頂?shù)目偧袅?.87×104kN,總彎矩7.54×104kN·m,3號固定墩承擔了22.60%的總水平剪力和27.14%的總彎矩。從表4、表5可以看出:3號固定墩隔震效果最明顯,墩底彎矩分別減少了63.80%和66.23%,墩底剪力分別減少了71.63%和71.98%;墩頂彎矩分別減少了44.42%和55.67%,墩頂剪力分別減少了44.42%和55.67%。可見2種隔震體系隔震效果顯著。因此,采用2種隔震措施后,橋墩墩頂和墩底順橋向的總剪力和總彎矩顯著降低,各墩承擔的剪力和彎矩與抗震體系相比分布更均勻,3號固定墩承擔的總水平剪力和彎矩也顯著減小,因此采取隔震措施對構(gòu)件的設(shè)計有利。表6給出了抗震和2種隔震體系下支座順橋向剪力值,從表6可以看出,3號墩支座順橋向內(nèi)力最大,當未采取隔震措施時,3號墩支座順橋向內(nèi)力為8.775×103kN,超過了固定支座最大水平承載力8×103kN,結(jié)構(gòu)不能滿足抗震強度的要求;當采取隔震措施時,減震球型支座時3號墩支座順橋向內(nèi)力為2.300×103kN,采用摩擦擺支座時3號墩支座順橋向內(nèi)力為2.239×103kN,均能滿足結(jié)構(gòu)抗震強度的要求。5.2交接處和墩頂位移在地震作用下,主梁與橋墩相對位移過大會引起支座脫落,甚至落梁而導致連續(xù)梁的嚴重破壞,因此連續(xù)梁橋除了要滿足結(jié)構(gòu)抗震強度的要求外,還不能有過大的順橋向位移。順橋向梁墩交接處和墩頂?shù)奈灰埔姳?,從表7可以看出,減震球型支座的隔震體系最大梁墩交接處的位移為17.4cm,摩擦擺支座的隔震體系最大梁墩交接處的位移為16.6cm,均比抗震體系主梁縱向位移17.7cm小;減震球型支座的隔震體系最大墩頂位移為5.49cm,摩擦擺支座的隔震體系最大墩頂位移為5.16cm,均比抗震體系最大墩頂位移15.5cm小。因此,采用隔震體系能減小梁墩交接處和墩頂順橋向位移,且摩擦擺支座比減震球型支座的墩梁位移更小。摩擦擺支座的隔震體系的最大順橋向墩梁相對位移均比減震球型支座的隔震體系小。6結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計從上述分析可知,初步擬定的縱向隔震設(shè)計方案均能有效地降低3號墩所承擔的縱向地震內(nèi)力,使各墩承擔的剪力和彎矩分布更均勻,計算表明2種方案均能滿足強度和變形要求。由于該橋為六跨預應力混凝土連續(xù)梁橋,主跨徑為120m,上部結(jié)構(gòu)重量大,支座的豎向承載力達到40000kN,且為矮墩結(jié)構(gòu),橋墩要承受巨大的地震力。而隔震支座作為重要的傳力構(gòu)件,除應具有普通支座穩(wěn)定的承載力外,還必須具有一定的回復剛度,以及是否受使用溫度和老化因素的影響等特點。通過減震球型支座和摩擦擺支座的性能比較可知,摩擦擺支座在各方面性能都具有一定的優(yōu)勢,故本文建議其為推薦方案。7梁橋結(jié)構(gòu)體系的特點本文通過對多跨連續(xù)梁橋隔震措施進行研究,得到以下主要結(jié)論:(1)本文的隔震體系顯著降低了結(jié)構(gòu)的基頻,但不改變結(jié)構(gòu)的振型特性,因此2種隔震體系均表現(xiàn)出連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)體系的特點。(2)2種隔震體系均能有效地降低順橋向橋墩墩底總剪力