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      連續(xù)梁橋組合降震設(shè)計功效分析研究

      2021-09-10 21:54:12溫瑞霖
      交通科技與管理 2021年8期
      關(guān)鍵詞:連續(xù)梁橋分析研究

      溫瑞霖

      摘 要:在對案例路橋混凝土預應力連續(xù)梁橋的地震反應分析基礎(chǔ)上,針對強烈的近斷層地震脈沖效應,提出了在案例路橋橋梁中選用降震榫和拉索限位器相結(jié)合的方法,在公路橋梁中將鉛芯橡膠支撐座和拉索限位器組合在一起,以構(gòu)成組合降震系統(tǒng)方案,開展連續(xù)橋梁的地震反應實驗。

      關(guān)鍵詞:連續(xù)梁橋;組合降震;設(shè)計功效;分析研究

      在強地震中,許多橋梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到嚴重損壞,所以降震技術(shù)已經(jīng)成為提高強地震區(qū)橋梁抗震功效的重要課題。原始的抗震方法是借助加增結(jié)構(gòu)部件的強度和抗形變能力來抵抗地震作用,這在一定程度上難以完成,而且會導致很大的浪費。減隔震技術(shù)的出現(xiàn)和快速發(fā)展帶來了新的地震思想。

      1 工程案例概況

      以某(40 + 64 + 40)m混凝土預應力連續(xù)梁路橋作為工程背景參照,開展了地震反應分析。為了考慮相鄰梁間碰撞和相鄰跨度的影響,在連續(xù)梁的兩端,設(shè)有1孔32 m簡支標準箱形梁。連續(xù)梁和相鄰的簡支梁的上部結(jié)構(gòu)都是混凝土預應力雙線可變斷面箱形梁。整個橋梁的下部結(jié)構(gòu)是雙流線型圓端實心墩,墩體的高度見圖1具體所示。橋址位處8度范圍,設(shè)計地震峰值加速率為0.2g,罕見地震強度為0.38g。

      2 組合降震系統(tǒng)設(shè)計

      2.1 連續(xù)梁橋降震設(shè)計

      (1)正常應用階段:橋上列車的制動力為列車垂直靜動荷載的10%,即960 kN;滑移支撐座的摩擦力= 66 000 kN× 0.02=1 320 kN,即支撐座的摩擦力可以抵抗列車的制動力。

      (2)在地震頻繁的狀態(tài)下:當在側(cè)墩(2#和5#)和中墩(3#和4#)分別配置6和8個降震榫時,應用降震榫的彈塑性剛度,以多振型分解反應譜法獲得降震榫的形變?yōu)?.4 mm,降震榫不屈服,符合需求。

      (3)在設(shè)計地震影響下:取降震榫在設(shè)計目標移位(30 mm)下的等效剛度開展等效線性化分析,得出降震榫的形變量為28.8 mm,未達設(shè)計目標移位。除前述起始空隙外,拉索限位器的設(shè)計參數(shù)還涉及拉索限位器的數(shù)量和長度,它們決定了拉索限位器的最大許可約束移位和剛度。通過數(shù)次試算和設(shè)計,發(fā)現(xiàn)當降震榫的形變從限位器發(fā)揮作用到降震榫的極限移位(72 ram)時,降震榫和拉索限位器的恢復力增量之和,應大于等于上部結(jié)構(gòu)重量的0.05倍,這樣才能以保證降震榫的安全性,獲得限制器的剛度為45 000 kN/m,進而確定了限制器的長度及其它參數(shù)。

      2.2 動力設(shè)計分析計算模型

      用梁柱單元模擬梁柱和墩柱,用雙線性滯后單元模擬盆橡膠支撐座和降震榫。降震榫的滯后參數(shù)為:屈服荷載Fy =325 kN,屈服移位dy=0.006 m,極限荷載Eu =383 kN,最大塑性形變du=0.072 m。盆式橡膠支撐座選用雙線性滯回單元模擬,忽略樁土結(jié)構(gòu)的互相作用,即在橋墩底部固結(jié)。彎矩與橋墩曲率間的關(guān)系請參見表1具體所示。用非線性觸接元件模擬了相鄰梁的碰撞功效和拉索限位器,碰撞空隙為0.05 m,拉索限位器空隙為0.03 m。

      為了分析組合降震系統(tǒng)在連續(xù)梁橋中的降震功效,做出了以下規(guī)定:

      忽略盆式支撐座故障引發(fā)的能量耗散。

      臨時跨度的簡單支承梁不選用抗震設(shè)計,在1#和6#墩上設(shè)有固定支撐座。

      在不帶減振裝置的連續(xù)梁中,3#墩裝配有固定支撐座,其余裝配有滑移支撐座。

      應用降震裝置時,把中間墩(3#)的固定支撐座改為滑移支撐座,而且在全部墩上安置降震榫。

      建立的模型和分析條件如下:

      工作條件1:傳統(tǒng)的非降震橋固定支撐座,即3#橋墩裝有固定支撐座,其余都裝有不帶降震裝置的滑移支撐座,用于比較降震功效。

      工作條件2:帶降震榫的降震橋,即把墩3#的固定支撐座變?yōu)榛顒又巫谥虚g墩和側(cè)墩上配置降震榫。

      工作條件3:選用帶有降震榫和拉索限位器的降震橋,來驗證所提出的組合隔離和限制系統(tǒng)的有效性。

      2.3 近斷層地震輸入

      近斷層脈沖地震存在顯著速率脈沖的特性,主要是因為滑移沖擊效應和正向效應所引發(fā)。當斷裂鋒面向觀測點傳播,并且傳播速率接近巖石破裂速率時,將在該點發(fā)生正向效應,其速率脈動主要產(chǎn)生在垂直于斷層平面的方向,一般在斷層上。

      滑移推力效應,是指在斷層部位附近的某個方向上的移位時程驟然上升或降低而構(gòu)成一個臺階,而且由它引發(fā)的速率脈沖,一般在平行于斷層滑移的方向上,并呈單向特點。

      為研究不同地震速率脈沖類型的橋梁震動影響,本研究選取了10個無脈動效應的地震和20個有速率脈沖特性的近斷層地震。順橋向時程輸入,峰值加速率分別為0.389和0.29,分別代表罕見地震強度作用和設(shè)計地震作用,并用各種地震的均值作為分析根據(jù)。

      3 連續(xù)梁橋地震反應分析

      3.1 限位器配置的影響分析

      屈服后,降震榫加增了結(jié)構(gòu)的柔韌性,延長了結(jié)構(gòu)的應用壽命,并且結(jié)構(gòu)的形變主要集中在降震榫上,因此,降震榫在地震中的工作狀況決定了整體結(jié)構(gòu)的抗震功效。表2顯示了在配置限制器之前和以后3#墩上降震榫的形變??梢园l(fā)現(xiàn),沒有配置限制器,在沒有速率脈沖的地震的影響下,降震榫的形變在設(shè)計區(qū)域內(nèi),可以保證其抗震安全性。但在有速率脈沖狀態(tài)下,設(shè)計地震(0.2g)下的降震榫的形變接近極限值,約為60 mm。在罕見的地震(0.38g)下,其形變超出極限移位,最大達100 mm,而且比沒有速率脈沖的相應地震輸入大得多??梢园l(fā)現(xiàn),因為降震榫屈服后的剛度和移位能力相對有限,因此在罕見的近斷層地震狀態(tài)下,其形變很難控制,安全性大受影響,這是提出限位器與降震榫的組合降震方案的主要原因。

      為了控制降震榫在速率脈沖近斷層地震影響下的過大形變,分別在3#支撐架和4#調(diào)諧墩上裝配了限位器。配置好索式限位器,在帶速率脈沖的近斷層(稀有)地震中,降震榫的移位從高出100 mm降低到小于70 mm,移位控制功效顯著。另外,因為脈沖地震的特殊性,在設(shè)計地震下不能將降震榫的形變控制在設(shè)計移位內(nèi),但是在罕見地震強度下不會超過極限移位,因此可以認為組合降震系統(tǒng)是有效的。實際上,假如要在設(shè)計地震下將降震榫控制在設(shè)計移位區(qū)域內(nèi),則可以經(jīng)過調(diào)整拉索限位器的起始空隙和拉索數(shù)量來開展控制。限位器配置有可能會加大橋墩的內(nèi)部應力和形變。表3給出了限位器配置對3#墩墩底彎矩的影響,由表可知,在設(shè)計和罕見地震強度的影響下,限位器的配置使墩底的彎矩加大了約10%。在設(shè)計地震下,墩底彎矩小于屈服彎矩,橋墩具有彈塑性。在罕見地震強度下,墩底的平均彎矩小于屈服彎矩。實際上,該墩在局域地震下已屈服,可是其塑性曲率尚未到達極限值,處在可接受的區(qū)域內(nèi)。

      3.2 降震功效分析

      為充分揭示降震裝置的降震功效,選擇降震比指標開展分析,其計算公式為:

      (1)

      公式中:ei系為降震橋梁的地震響應峰值;en系為非降震橋梁的地震響應峰值;Ρ系為降震率,降震率越大,顯示降震功效越好。

      以非隔離狀態(tài)下固定墩3#的移位為例開展分析。

      圖2為設(shè)計地震標準下,不同類型的地震和相鄰梁間的碰撞,對降震榫的降震功效影響分析成果。在圖中,給出了在有和沒有碰撞的狀態(tài)下,不同類型的地震的平均降震率及其對應的百分率。數(shù)據(jù)揭示:

      (1)降震榫能達較佳的降震功效,不同地震類型的降震率≥70%,脈沖近斷層地震要大于無脈沖近斷層地震,二者均達80%,緣于降震榫可以承受比較大塑性形變。

      (2)應用非脈沖近斷層地震時,沖擊對降震率影響很小,這主要是因為沖擊比較小的原因。

      (3)對于有正向作用和滑移沖擊作用的脈沖地表運動,沖擊作用顯著,在忽略沖擊的震結(jié)構(gòu)的降震率時,不能不考慮碰撞的影響。

      4 結(jié)語

      鑒于強烈的近斷層地震脈沖效應,開展了連續(xù)橋梁的地震響應測試。提出降震榫頭與拉索限位器,鉛橡膠支撐座與拉索限位器的組合降震系統(tǒng)的設(shè)計方案,限位器控制降震裝置的過度形變并避免落梁損壞,借助降震榫或鉛橡膠支撐座的消能功效,來降低橋梁的地震響應,降低地震對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。通過降震反應功效測試分析揭示,這種設(shè)計對路橋防震降震具有功效。

      參考文獻:

      [1]江輝.近場地震下橋梁結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的能量方法[D].北京交通大學,2007.

      [2]單廣銀.基于新型SMA-屈曲約束支撐的橋梁結(jié)構(gòu)減震分析[D].燕山大學,2020.

      [3]胡連軍,楊吉忠.高墩鐵路橋梁減震技術(shù)進展研究[J]. 鐵道工程學報,2016(6):72-76+87.

      [4]劉曉剛,李連友,聶鑫,等.組合式消能減震墩柱試驗與設(shè)計方法研究[J].土木工程學報,2017(2):73-81.

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