半中承式剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

半中承式剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析

0高烈度地震災(zāi)害是因果報告,經(jīng)地震是一種突然的、毀滅性的自然災(zāi)害，對人類社會構(gòu)成了極其嚴(yán)重的威脅。據(jù)統(tǒng)計世界上每年要發(fā)生破壞性的強(qiáng)地震約為18次,中國屬多地震國家,7級以上地震約10%發(fā)生在中國。近年來,全球地震活動頻繁,而且多次破壞性地震都集中在大城市附近,造成了非常慘重的生命和財產(chǎn)損失。例如,1994年美國Northridge地震(M6.7)以及1995年日本阪神大地震(M7.2)導(dǎo)致的城市經(jīng)濟(jì)總損失分別為200億美元,1000億美元之多;2008年汶川大地震(M8),使69227名同胞遇難、17923名同胞失蹤,造成大量建筑、公路橋梁破壞,直接經(jīng)濟(jì)損失8451多億元。這幾次地震災(zāi)害的共同特點是:由于橋梁結(jié)構(gòu)工程遭到嚴(yán)重破壞,切斷了震區(qū)交通生命線,造成救災(zāi)工作的巨大困難,使次生災(zāi)害加重,導(dǎo)致更巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于公路作為生命線工程,在震后救災(zāi)中起著巨大的作用,而橋梁在公路震后保持暢通起著關(guān)鍵性的作用。因此,對高烈度地震區(qū)域的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效地抗震保護(hù)顯得非常迫切。目前,歐、美和日本等西方發(fā)達(dá)國家投入了大量的物力和財力研制性能卓越的隔震體系,用于保護(hù)在處于高烈度地震區(qū)中公路、橋梁結(jié)構(gòu)的安全。1鋼箱與橋面布置某跨河橋主橋采用兩跨半中承式連續(xù)系桿拱橋,跨徑布置為:2×89.25=178.5m;橋面全寬53.5m;橫橋向共布置4榀拱肋;拱肋截面采用鋼箱截面,截面尺寸1.8m×1.3m;拱軸線:橋面上采用二次拋物線,矢高18.75m,橋面下采用直線(見圖1)。根據(jù)《地震安全性評價工作報告》,該橋所處場地50a超越概率10%峰值加速度為0.226g,特征周期0.56s;50a超越概率2%峰值加速度為0.434g,屬于《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》中的高烈度區(qū)。2主橋結(jié)構(gòu)體系半中承式連續(xù)系桿拱橋造型美觀,其雙拱形狀恰如大鵬展翅,其結(jié)構(gòu)受力合理,配索方便,承擔(dān)水平推力的縱向預(yù)應(yīng)力索從設(shè)置在橋面的系梁內(nèi)通過。但在抗震設(shè)計中若按常規(guī)設(shè)計方式即:中墩、拱座與基礎(chǔ)固結(jié),邊墩處設(shè)滑動盆式橡膠支座將系梁與橋墩連接(計算模型簡圖見圖2),勢必會在地震荷載作用下,結(jié)構(gòu)承受較大的地震力,且主要由中墩來承受,邊墩提供的水平力僅為支座臨界滑動摩擦力。針對該橋情況,在該橋抗震設(shè)計中提出了另一方案。主橋中墩采用鉛芯隔震橡膠支座與盆式橡膠支座組成的分離式減隔震支撐體系。橋梁減隔震的基本思想是在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層,使橋梁的一階固有周期延長,避開地震時地面運動輸入橋梁的卓越周期,從而使橋梁結(jié)構(gòu)所承受的地震作用程度降低(計算模型簡圖見圖3)。3結(jié)構(gòu)受拉設(shè)計及驗算為了在設(shè)計中確定方案,在本橋抗震設(shè)計中利用有限元分析程序Midas/Civil對該橋建立空間模型,分別按常規(guī)設(shè)計方案(簡稱方案1)和減隔震設(shè)計方案(簡稱方案2)進(jìn)行地震作用下的結(jié)構(gòu)受力分析。根據(jù)新的橋梁抗震細(xì)則規(guī)定,本橋?qū)儆谔厥鈽蛄旱目拐鹪O(shè)計,支承連接條件應(yīng)采用能反映支座力學(xué)特性的單元模擬。模型中活動盆式支座采用程序中提供的“滯后系統(tǒng)”來模擬,程序采用雙線性力學(xué)模型來模擬鉛芯橡膠支座。由于減隔震裝置的非線性,根據(jù)文獻(xiàn),計算時采用非線性動力時程分析方法。參照一般橋梁的抗震計算,對2個方案均進(jìn)行了E1,E2水準(zhǔn)地震作用下的結(jié)構(gòu)驗算;由于規(guī)范要求拱橋的拱圈和基礎(chǔ)在E2水準(zhǔn)地震作用下基本不發(fā)生損傷,故本篇僅對E2水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的受力狀況進(jìn)行驗算和對比分析。3.1自振振型結(jié)構(gòu)根據(jù)建立的動力計算模型,采用子空間迭代法求解橋梁結(jié)構(gòu)動力特性。該橋共計算了100階頻率和振型,由于一般情況下結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型起控制作用,限于篇幅,只給出了該橋梁前3階振動頻率和前3階振型,結(jié)構(gòu)的自振振型見圖4～6。從表1中可以看出,方案2的自振周期相對于方案1的自振周期明顯延長,特別是縱向自振周期。3.2邊墩基礎(chǔ)彎矩情況基礎(chǔ)內(nèi)力最大響應(yīng)統(tǒng)計見表2,結(jié)構(gòu)位移最大響應(yīng)統(tǒng)計見表3。由表2可以看出,E2水準(zhǔn)地震作用下,方案2較方案1中墩基礎(chǔ)的水平力最大減震69%,彎矩最大減震79%。同時,邊墩的水平力和彎矩有所提高,但通過驗算,順橋向和橫橋向彎矩均小于橋墩底部屈服彎矩(35000kN.m)。另外,方案2較方案1整個結(jié)構(gòu)的位移相對增大(見表3),其中中墩拱座底順橋向位移由7mm增大至116mm,需對位移采取有效措施。3.3結(jié)構(gòu)體系設(shè)計主要構(gòu)件內(nèi)力最大響應(yīng)統(tǒng)計見表4。表4中拱圈1為拱圈與拱座固結(jié)處截面,拱圈2為拱圈與系梁相交處拱圈截面,系梁為拱圈與系梁相交處系梁截面。由表4可以看出,E2水準(zhǔn)地震作用下,方案2較方案1主要構(gòu)件彎矩最大減震89%,而且方案1主要構(gòu)件的彎矩均大于該構(gòu)件的承載能力,需增加構(gòu)件的截面尺寸和配筋率,方案2各構(gòu)件均滿足要求。由于該橋具有景觀橋的特點,橋面以下部分的拱肋尺寸方案1需增大至3.5m×2.5m,極大地影響了該橋的整體效果。通過以上結(jié)構(gòu)計算分析與對比,兼顧景觀效果,最終通過評審確定抗震設(shè)計采用方案2。4主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案2的實施,要求隔震層具有較小水平剛度,同時應(yīng)具備如下特性:(1)一定的柔度(柔性支承)。用來延長結(jié)構(gòu)周期,降低地震力。(2)耗能能力(阻尼、耗能裝置)。限制支承面處的相對變形,以使位移在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。(3)一定的剛度、屈服力。在正常使用荷載下(如風(fēng),制動力等)結(jié)構(gòu)不發(fā)生屈服和有害振動。鉛芯橡膠支座可以滿足上述功能,且具有制造簡單,性能良好穩(wěn)定,成本低的優(yōu)點。但由于該橋中墩所需支座豎向承載力較大(最大反力為35400kN),若支撐體系全部采用鉛芯橡膠支座,則會造成支座尺寸較大,帶來產(chǎn)品加工、安裝施工以及維修更換等一系列難度的增加,為解決這些問題,本次設(shè)計中采用了鉛芯隔震橡膠支座與盆式橡膠支座組成的分離式減隔震支撐體系。利用盆式橡膠支座承載能力大、水平位移量大、轉(zhuǎn)動靈活等特點,分擔(dān)部分豎向力,減少鉛芯橡膠支座尺寸。采用該種分離式減隔震支撐體系后,鉛芯橡膠支座主要作用:承擔(dān)部分豎向力;地震時提供恢復(fù)力、抵抗運行中微動、滯回耗能。盆式橡膠支座主要作用:承擔(dān)部分豎向力;摩擦耗能。因此,為使鉛芯橡膠支座與盆式橡膠支座在運營過程中能夠共同承擔(dān)豎向力,應(yīng)注意以下問題:(1)支座生產(chǎn)廠家應(yīng)對提供的鉛芯橡膠支座、盆式橡膠支座豎向剛度進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)定,以便施工時對支座進(jìn)行分組。(2)施工單位在安裝支座時,應(yīng)嚴(yán)格控制支座安裝高度與水平度。在E2水準(zhǔn)地震作用下,通過計算分析對比,可以看出無論是上部結(jié)構(gòu)還是下部結(jié)構(gòu),方案2較方案1地震力均有較大程度的減小,但方案2結(jié)構(gòu)位移相對較大。在后期的設(shè)計中,針對方案2,采取了三方面的措施,對該橋進(jìn)行了抗震優(yōu)化設(shè)計:(1)在邊墩設(shè)置4個縱向和4個橫向的黏滯阻尼器,總共16個,控制E2水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的位移;(2)增大伸縮縫間隙,采用伸縮距離更大的伸縮縫裝置,并在梁端設(shè)置避免硬性碰撞的緩沖材料;(3)將原拱圈鋼箱全部填充混凝土改為最短2根吊桿之間的鋼箱采用空鋼箱,短吊桿以下鋼箱填充混凝土。通過驗算,這樣既可以保證拱圈在正常使用情況下滿足要求,又能減少橋面以上結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,從而減少地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移,結(jié)果見表5。主橋中墩支撐體系位于正常水位下,為防止河水浸入對支撐體系造成損害,設(shè)計中采取中墩承臺四周設(shè)置防水隔墻;頂部設(shè)置密水蓋板;內(nèi)部底板設(shè)集水坑(同時設(shè)置潛污泵,及時排出室內(nèi)積水)等措施。為方便以后檢修,在密水蓋板上同時設(shè)置檢查口,因此,在防水隔墻與密水蓋板的施工各環(huán)節(jié)中應(yīng)細(xì)致認(rèn)真,確保其密實閉性。5拱肋承臺尺寸調(diào)整根據(jù)分析結(jié)果,對下、上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗算。結(jié)果表明,為滿足抗震要求,方案1下部基礎(chǔ)應(yīng)在方案2基礎(chǔ)上增加8根樁基,承臺尺寸相應(yīng)增大;橋面以下拱肋尺寸需由方案2的,2.4m×2m改為3.5m×2.5m,并相應(yīng)增加截面配筋率;與拱肋相交處附近系梁應(yīng)增加配筋率。方案1,2在以上各部分的工程量和造價見表6,從表6中可以看出,方案2比方案1可以節(jié)省造價約占該部分造價的13%,減少了工程造價,提高了社會經(jīng)濟(jì)效益。6結(jié)構(gòu)性能分析方案1,在E2水準(zhǔn)地震作用下,中墩在順橋向和橫橋向中的底部剪力過大,導(dǎo)致基礎(chǔ)產(chǎn)生剪切破壞及脆性破壞,主要受力構(gòu)件彎矩也均大于其承載能力,極大地威脅到橋梁的安全性,需增大截面尺寸和基礎(chǔ)尺寸,同時提高配筋率。方案2,鉛芯橡膠支座的應(yīng)用有效地延長了結(jié)構(gòu)的自振周期;通過耗能減震大大減少了下部結(jié)構(gòu)的剪力和彎矩,提高了橋梁安全性;改善了邊墩、中墩地震水平力差異較大的問題,使得每個橋墩的縱向和橫向地震力更加均勻,在保證橋梁結(jié)構(gòu)安全的同時優(yōu)化了結(jié)構(gòu)尺寸,取得了優(yōu)異的減隔震效果。中墩處采用先進(jìn)的分離式減隔震技術(shù),解決了豎向承載能力大導(dǎo)致鉛芯支座尺寸過大的問題;黏滯阻尼器和鉛芯橡膠支座的組合應(yīng)用,確保橋梁整體及構(gòu)件在各水準(zhǔn)地震設(shè)防下的性能和目標(biāo)的實現(xiàn)。和一般梁式橋梁的抗震分析比較,半中承式系桿拱橋除應(yīng)保證下部結(jié)構(gòu)的安全外,還應(yīng)對拱圈和系梁的特殊截面加強(qiáng)驗算分