某連續(xù)梁橋抗震加固設(shè)計(jì)

□文/程永歡

某連續(xù)梁橋抗震加固設(shè)計(jì)

□文/程永歡

采用時(shí)程分析法，對(duì)一座16 m+22 m+16 m三跨普通混凝土連續(xù)梁橋進(jìn)行抗震驗(yàn)算；結(jié)果表明：該橋無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的抗震要求。采用復(fù)合式金屬阻尼器對(duì)其進(jìn)行抗震加固，采用時(shí)程分析方法對(duì)加固后的橋梁進(jìn)行地震響應(yīng)分析；結(jié)果表明：復(fù)合式金屬阻尼器能有效的耗散地震能量，加固后橋梁的抗震能力得到明顯提高，地震響應(yīng)顯著降低，滿(mǎn)足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

連續(xù)梁橋；抗震；加固；時(shí)程分析；金屬阻尼器；減隔震

橋梁是道路交通的咽喉，是生命線系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)能否在地震中正常運(yùn)營(yíng)，直接關(guān)系到抗震救災(zāi)的順利進(jìn)行。然而，早期建成的一大批橋梁，由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)及抗震計(jì)算理論等條件的限制，沒(méi)有進(jìn)行比較科學(xué)、合理的抗震設(shè)計(jì)，導(dǎo)致無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。因此有必要對(duì)該類(lèi)橋梁抗震加固方法進(jìn)行研究，以保證該類(lèi)結(jié)構(gòu)的安全可靠性，更好的服務(wù)。

本文基于midas/civil平臺(tái)，采用非線性時(shí)程分析方法，對(duì)一座16 m+22 m+16 m三跨普通混凝土連續(xù)梁舊橋進(jìn)行抗震驗(yàn)算并采用復(fù)合式金屬阻尼器對(duì)其進(jìn)行抗震加固設(shè)計(jì)。

1　工程概況

本橋修建于2006年，是一座三跨普通混凝土連續(xù)梁橋，跨徑組合為16 m+22 m+16 m，雙幅橋，橋?qū)?0 m。上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室箱梁，采用C50混凝土，其頂板寬12.63 m，厚度為0.25 m，底板寬7.88 m，厚度為0.20 m。下部結(jié)構(gòu)為圓形雙柱墩，采用C35混凝土，截面直徑為1.2 m，墩高分別為6.6、6.9 m。橋梁采用盆式橡膠支座。橋址所在地為二類(lèi)場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.15g。結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。

2　有限元模型

2.1模型介紹

采用MIDASCivil程序建立本橋的有限元模型。模型中，主梁、橋墩均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；橋面鋪裝、護(hù)欄、橫隔板等荷載以梁?jiǎn)卧奢d的形式施加在主梁?jiǎn)卧喜⒑奢d轉(zhuǎn)化為質(zhì)量以考慮其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響；采用彈簧剛度模型考慮樁土的共同作用。

2.2邊界條件

1）盆式支座，見(jiàn)圖1。盆式支座的滑動(dòng)方向采用理想彈塑性模型［1～2］模擬，見(jiàn)圖2，支座的相關(guān)參數(shù)依據(jù)規(guī)范的規(guī)定選取。

圖1　支座布置

圖2　盆式支座的滯回模型

2）復(fù)合式金屬型阻尼器，見(jiàn)圖3。

圖3　復(fù)合式金屬型阻尼器滯回模型及模型等效處理

該類(lèi)型阻尼器在產(chǎn)生小位移時(shí)，提供較小且穩(wěn)定的出力，達(dá)到設(shè)計(jì)位移后，其出力隨著位移的增加而大幅提升，故其滯回模型可以等效為一個(gè)彈塑性滯回模型和一個(gè)旗幟型滯回模型的疊加。在程序中采用彈簧連接單元串聯(lián)雙線性模型后與一個(gè)理想彈塑性模型并聯(lián)的方式模擬阻尼器的滯回特性。其中，彈簧連接單元提供初始間隙，用以模擬阻尼器處于第二剛度時(shí)的位移，雙線性模型用來(lái)模擬阻尼器“旗幟”部分耗能。

2.3地震動(dòng)輸入的確定

該橋?yàn)锽類(lèi)橋梁，橋址所在地為二類(lèi)場(chǎng)地，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.15g。根據(jù)規(guī)范要求，選取一條CHICHI地震波、一條人工波和El-centro（東西向）用于時(shí)程分析，見(jiàn)圖4。加速度峰值為0.065g（E1）和0.195g（E2）。

圖4　時(shí)程分析選用的地震波

3　計(jì)算與分析

3.1自振特性分析

橋梁動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問(wèn)題的基礎(chǔ)，為計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，必須首先進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析。本橋自振特性分析采用多重利茲方法，為保證振型階數(shù)在計(jì)算方向獲得90%以上的有效質(zhì)量［1］，經(jīng)試算取前40階振型。表1中列出了橋梁前5階模態(tài)。

表1　自振特性一覽表

從表1可以看出，該橋基本振型為順橋向?qū)ΨQ(chēng)彎曲振型，振動(dòng)頻率為1.177 Hz，說(shuō)明在地震中發(fā)生順橋向破壞的可能性比較大；橋梁前兩階振型均為水平方向彎曲，橋梁第一階豎向振型出現(xiàn)在第三階，自振頻率為6.297 Hz，說(shuō)明橋梁豎向剛度較大，橋梁出現(xiàn)水平方向的地震破壞可能性更大。

3.2原橋抗震性能分析

采用時(shí)程分析方法，分別計(jì)算原橋在CHICHI波、El-centro波（東西向）和人工波3條地震波作用下的地震響應(yīng)，對(duì)原橋的抗震性能做出評(píng)價(jià)。計(jì)算結(jié)果表明，在E1地震作用下，原橋墩底內(nèi)力、墩頂位移均可滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范［1］要求，因此本文中僅列出E2地震作用的部分分析結(jié)果，見(jiàn)圖5和表2-表3。

表3　E2地震作用下原橋1#墩墩底截面內(nèi)力

表4　E2地震作用下原橋1#墩變形驗(yàn)算

圖5　E2地震作用下原橋支座變形

根據(jù)規(guī)范［1～2］規(guī)定，取3組地震波計(jì)算結(jié)果的最大值作為最終計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，在E2地震作用下，1#墩墩底進(jìn)入屈服狀態(tài)，抗剪承載力不滿(mǎn)足要求；墩底最大塑性轉(zhuǎn)角0.001 46 rad，在容許范圍之內(nèi)，墩頂順橋向最大位移為52 mm，超過(guò)容許位移，不滿(mǎn)足規(guī)范要求；支座位移最大值為53 mm，容許位移值為50 mm，支座位移不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

綜上，原橋抗震承載能力不滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行抗震加固以滿(mǎn)足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3.3抗震加固設(shè)計(jì)

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)而言，常用的減隔震裝置分為整體型和分離型兩類(lèi)。設(shè)計(jì)擬采用分離型減隔震裝置，利用舊橋原有的板式支座，安裝布置復(fù)合式金屬阻尼器。該類(lèi)型復(fù)合式金屬阻尼器可在多遇地震下提供遲滯耗能的能力，同時(shí)，也可以在罕遇地震下鎖定阻尼器兩點(diǎn)間的相對(duì)位移，有效地將地震力傳遞至橋墩（臺(tái)）使其產(chǎn)生塑性鉸機(jī)制以消散能量，取代傳統(tǒng)的防落梁拉桿。

本橋采用的復(fù)合式金屬型阻尼器的初始剛度約為5×105kN/m，第二剛度為0，第三剛度近似為1×105kN/m（即相對(duì)于初始剛度的退化率取0.2），屈服力為200 kN。阻尼器的具體布置方案見(jiàn)圖6。其中每側(cè)橋臺(tái)安裝2個(gè)阻尼器，全橋共計(jì)4個(gè)。

圖6　抗震加固方案

采用時(shí)程分析法對(duì)加固后的橋梁的地震響應(yīng)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7-圖8和表5-表6。

圖7　加固后E2人工波塑性鉸屈服狀態(tài)

表5　加固E2地震作用下橋墩內(nèi)力

表6　加固后E2地震作用下1#墩變形驗(yàn)算

圖8　加固后E2地震作用下支座變形

計(jì)算結(jié)果表明，采用復(fù)合式金屬阻尼器進(jìn)行加固后，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)大幅下降。在E2地震作用下，1#墩墩底出現(xiàn)輕微的開(kāi)裂，但結(jié)構(gòu)基本上處于彈性階段；墩底塑性轉(zhuǎn)角為0.000 326 rad，墩頂位移27 mm，均在容許范圍內(nèi)且有較大富余量；支座最大位移為27 mm，具有較大的安全儲(chǔ)備。

對(duì)比加固前后的結(jié)果，可以得到復(fù)合式金屬阻尼器減震率，見(jiàn)圖9。該橋采用減隔震加固設(shè)計(jì)后，減震率為31.6%～77.7%，其中對(duì)墩底塑性轉(zhuǎn)角的減震效果最為明顯，墩頂位移也有大幅的降低。加固后，該橋可以滿(mǎn)足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，確保了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

圖9　減震率分析

4　結(jié)論

1）采用時(shí)程分析方法對(duì)原橋抗震能力進(jìn)行分析。E1作用下，原橋1#墩墩底出現(xiàn)了輕微的損傷，但結(jié)構(gòu)基本上處于彈性階段，支座的變形、橋墩內(nèi)力以及變形均滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范的要求；E2作用下，原橋1#墩墩底縱筋屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段。支座的最大變形超過(guò)支座容許位移，1#墩底部抗剪、墩頂位移均不滿(mǎn)足規(guī)范要求。橋梁在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下極有可能發(fā)生破壞。為保證橋梁在地震作用下的結(jié)構(gòu)安全，需對(duì)該橋進(jìn)行抗震加固。

2）采用復(fù)合式金屬阻尼器進(jìn)行橋梁抗震加固，對(duì)加固后橋梁的抗震能力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在E1、E2地震作用下，結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)。支座的變形、橋墩內(nèi)力和墩頂位移較加固前都有很大程度的減小，橋梁抗震能力滿(mǎn)足現(xiàn)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，加固效果明顯。

3）復(fù)合式金屬型阻尼器不僅可以消耗地震能量、減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，而且能很好的限制梁端位移、減小支座變形；同時(shí)復(fù)合式金屬阻尼器可以取代傳統(tǒng)的防落梁拉桿，起到防落梁的作用，確保結(jié)構(gòu)安全。

［1］JTG/TB02-01—2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［2］CJJ 166—2011，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

U442.5+5

C

1008-3197（2016）03-78-03

2016-01-18

程永歡/男，1989出生，助理工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究院天津分院，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.028