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      摩擦擺支座在大跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

      2021-01-28 11:02:30孫曉珍
      山東交通科技 2020年6期
      關(guān)鍵詞:時(shí)程橋墩支座

      丁 毅,孫曉珍

      (1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,山東 濟(jì)南 250031;2. 山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院,山東 濟(jì)南 250103)

      引言

      大跨度公路橋梁一般都是交通運(yùn)輸?shù)闹匾h(huán)節(jié),它的破壞直接影響到整條路線的貫通,修補(bǔ)時(shí)間長(zhǎng),社會(huì)影響大。因此,如何對(duì)大跨度公路橋梁進(jìn)行正確的抗震分析,防震于未然,是抗震研究和設(shè)計(jì)的重中之重。

      隨著人類與地震災(zāi)害的不斷斗爭(zhēng),人類對(duì)地震的認(rèn)識(shí)也逐漸深入,抗震設(shè)計(jì)理論也由簡(jiǎn)化靜力理論發(fā)展為動(dòng)力理論,目前國(guó)內(nèi)外常用的抗震理論主要為反應(yīng)譜計(jì)算法和時(shí)程分析法。

      1 工程概況

      現(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01—2008)要求,對(duì)于A類、B類和C類橋梁必須進(jìn)行E1和E2地震作用的抗震設(shè)計(jì),見(jiàn)表1。

      本橋位于某高速公路,主跨跨徑組合為60 m+100 m +60 m,上部采用單箱單室的變截面連續(xù)箱梁,中支點(diǎn)梁高為6 m,跨中梁高為2.5 m,橋面寬為16.5 m,底板厚度為30~80 cm,腹板厚60~80 cm,橋墩為矩形截面,見(jiàn)圖1~圖4。

      圖1 橋型布置/cm

      圖2 主梁橫斷面/cm

      圖3 主墩立面 /cm

      圖4 邊墩立面/cm

      表1 主要地震指標(biāo)

      該橋梁屬于B類橋梁,其抗震設(shè)防目標(biāo)是小震(E1地震作用,重現(xiàn)期約為50~100 a)下,結(jié)構(gòu)一般不受損壞或不需修復(fù)即可繼續(xù)使用;大震(E2地震作用,重現(xiàn)期約為2 000 a)下,結(jié)構(gòu)倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷,經(jīng)臨時(shí)加固后可維持應(yīng)急交通使用。

      2 計(jì)算分析模型

      本橋位于高震區(qū),橋梁采用減隔震支座體系,屬于非規(guī)則橋梁,因此采用時(shí)程分析法建立模型進(jìn)行地震分析。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)自身的特性,采用有限元分析軟件Midas Civil建立全橋有限元模型,主梁、墩柱及樁基均采用梁?jiǎn)卧M,見(jiàn)圖5。

      圖5 有限元模型

      2.1 支座模擬

      常規(guī)橋梁支座既要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞過(guò)來(lái)的豎向荷載,又要調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)位移和轉(zhuǎn)動(dòng),很難滿足地震大位移的需求,地震力作用下往往最先被破壞,與能力保護(hù)構(gòu)件原則相違背。FPQZ支座隔震工作原理,見(jiàn)圖6。

      圖6 單擺工作原理

      FPQZ支座隔震消能原理是利用圓弧滑動(dòng)面的設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期,降低地震響應(yīng),并且通過(guò)滑動(dòng)面之間的摩擦耗散地震能,進(jìn)一步降低地震響應(yīng)。FPQZ支座工作的回復(fù)力模型用荷載-位移的水平滯回曲線模型模擬,見(jiàn)圖7。圖中:μ—?jiǎng)幽Σ料禂?shù);W—豎向荷載,kN;Kp—支座初始剛度,kN/m;Keff—支座等效剛度kN/m;D—減隔震位移量,mm。

      圖7 荷載-位移滯回曲線

      支座布置方案見(jiàn)圖8。

      圖8 支座布置方案

      計(jì)算模型采用雙折線彈塑性彈簧單元進(jìn)行支座模擬,根據(jù)表2內(nèi)容選取連接單元滯回曲線參數(shù)。

      表2 FPQZ支座設(shè)計(jì)參數(shù)

      支座其它參數(shù):摩擦擺支座限位錨栓的剪斷力一般為其豎向承載力的10%,采用支座對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)剪斷力分別為450 kN和3 000 kN。

      隔震周期:

      摩擦擺支座的曲率半徑R=4.0 m時(shí),其隔震周期為4.01 s。

      2.2 樁-土作用模擬

      依據(jù)細(xì)則[2]第6.3.8條,建立橋梁抗震分析模型應(yīng)考慮樁土的共同作用,樁土的共同作用可用等代土彈簧模擬,等代土彈簧的剛度可采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)來(lái)計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算時(shí),土抗力的取值比靜力大,一般取(2~3)倍m靜,本文m動(dòng)取m靜的2.5倍。

      2.3 地震激勵(lì)的選取

      考慮到地震的隨機(jī)性,設(shè)計(jì)加速度時(shí)程不小于3組,且應(yīng)保證任意兩組間同方向時(shí)程的相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值小于0.1。時(shí)程分析的最終結(jié)果,當(dāng)取3組計(jì)算結(jié)果的最大值。

      該橋場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告在地震危險(xiǎn)性分析的基礎(chǔ)上,《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010),并依據(jù)重要工程反應(yīng)譜的確定原則,確定工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜:

      式中:Sa(T)—周期為T(mén)時(shí)的反應(yīng)譜值;T—反應(yīng)譜周期,s; Amax—峰值加速度,cm/s2;T0、Tg—反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期,s;βm—反應(yīng)譜放大倍數(shù)最大值;C—衰減系數(shù)。

      本橋地表5% 阻尼比50 a、100 a不同超越概率水平向、豎向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表3。

      表3 地震動(dòng)參數(shù)

      根據(jù)所提供的反應(yīng)譜參數(shù),人工合成3條時(shí)程波,見(jiàn)圖9。

      圖9 E2地震時(shí)程波

      3 抗震分析

      3.1 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與目標(biāo)

      設(shè)計(jì)采用E1地震作用和E2地震作用兩種地震水平進(jìn)行抗震設(shè)防。參考相關(guān)規(guī)范要求以及類似大橋的研究成果,確定抗震性能目標(biāo):(1)遭受E1地震作用時(shí),不剪斷3號(hào)制動(dòng)墩支座的抗剪螺栓、FPQZ支座不發(fā)生滑動(dòng),全橋?yàn)榭拐痼w系、墩柱保持彈性不發(fā)生損傷。(2)遭受E2地震作用時(shí),剪斷3號(hào)制動(dòng)墩支座的抗剪螺栓、FPQZ支座發(fā)生滑動(dòng),全橋?yàn)闇p隔震體系、墩柱保持彈性不發(fā)生損傷。(3)支座為能力保護(hù)構(gòu)件,結(jié)構(gòu)進(jìn)入減隔震體系后,支座能有效發(fā)揮其功能,結(jié)構(gòu)整體位移可控。

      3.2 時(shí)程分析結(jié)果

      3.2.1 隔震周期

      經(jīng)過(guò)計(jì)算,采用普通球形支座時(shí),橋梁震動(dòng)周期為0.93 s,改用FPQZ支座后,震動(dòng)周期延長(zhǎng)至2.41 s,周期增加了1.6倍,周期延長(zhǎng)效果明顯。

      3.2.2 位移反應(yīng)

      由于橋梁為近對(duì)稱結(jié)構(gòu),表4、表5僅列出1#墩和2#墩的相關(guān)位移和變形值。

      表4 E2作用下縱橋向位移/cm

      表5 E2作用下橫橋向位移/cm

      支座在E2作用下發(fā)生最大21.6 cm左右的變形,根據(jù)該計(jì)算的最大位移,取支座球面擺動(dòng)位移所能達(dá)到的最大值即設(shè)計(jì)減隔震位移量值為25 cm,變形小于支座允許位移量,支座在恢復(fù)力作用下可逐漸恢復(fù)至初始位置。

      3.2.3 橋墩內(nèi)力反應(yīng)

      當(dāng)采用普通球形支座時(shí),固定支座置于中間主墩頂,經(jīng)計(jì)算,E1作用下,該支座所對(duì)應(yīng)的橋墩墩頂理論水平力為12 600 kN;E2作用下為54 100 kN,但球形支座一般在水平力大于其承載力10%后就會(huì)剪切破壞。支座作為一個(gè)能力保護(hù)構(gòu)件,它的破壞很可能導(dǎo)致落梁等重大災(zāi)害的發(fā)生。

      表6 E1作用下橋墩縱橋向內(nèi)力

      可以看出:E1作用下,墩頂水平剪力小于剪斷力;E2地震作用下,墩頂最大水平剪力超過(guò)限值,限位裝置被剪斷,橋梁進(jìn)入減隔震體系。邊墩主筋配置為單層Φ28的HPB400鋼筋,主墩為雙層Φ28的HPB400鋼筋,間距均為10 cm。E2作用下邊墩和主墩的最大裂縫寬度分別為0.11 mm和0.16 mm,小于0.2 mm的限值要求,整個(gè)截面保持在彈性工作狀態(tài),結(jié)構(gòu)基本無(wú)損傷。在地震力作用下,采用FPQZ支座的橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況良好,能達(dá)到預(yù)計(jì)的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和目標(biāo)。

      表7 E2作用下橋墩縱橋向內(nèi)力

      4 結(jié)語(yǔ)

      (1)FPQZ支座能延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的震動(dòng)周期,達(dá)到消耗地震能量的目的,有效降低橋墩受到的地震水平剪力和彎矩,使墩柱一直處于彈性受力狀態(tài),從而避免地震對(duì)下部及基礎(chǔ)的破壞。同時(shí),該類型支座允許發(fā)生大的變形且可恢復(fù),地震作用下不易損壞,有效防止了落梁等病害的發(fā)生。(2)抗震設(shè)計(jì)是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程,設(shè)計(jì)中應(yīng)針對(duì)不同的橋梁類別,采用合理的計(jì)算方法,并采取行之有效的抗震措施和抗震體系設(shè)計(jì),確保橋梁結(jié)構(gòu)小震不壞,中震可修,大震不倒。

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