采用中層減隔震體系不規(guī)則梁橋順橋向抗震性能研究

田圣澤，袁萬城

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

采用中層減隔震體系不規(guī)則梁橋順橋向抗震性能研究

田圣澤，袁萬城*

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

從高墩橋梁的抗震難點(diǎn)出發(fā)，研究支座設(shè)置位置對(duì)其減震性能的影響。提出將傳統(tǒng)的橋梁支座由墩頂轉(zhuǎn)向墩的中部，墩頂與梁體固結(jié)，變高墩為低墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，使得高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)由延性設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向減隔震設(shè)計(jì)。以某城市高架橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分別對(duì)剛構(gòu)設(shè)計(jì)、墩頂減隔震設(shè)計(jì)、墩中減隔震設(shè)計(jì)以及墩底減隔震設(shè)計(jì)的抗震性能進(jìn)行研究與評(píng)估。研究表明，中層減隔震體系橋梁可以改善并優(yōu)化高烈度區(qū)高墩橋梁的地震響應(yīng)。

中層減隔震設(shè)計(jì)；高墩橋梁減隔震設(shè)計(jì)；減隔震設(shè)計(jì)方法；傳統(tǒng)減隔震設(shè)計(jì)

隨著我國西南、西北山區(qū)公路和鐵路的快速興建以及城市高架橋的發(fā)展，高墩橋梁得到了廣泛應(yīng)用，且墩高也越來越高。高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)一直是國內(nèi)外工程界關(guān)注的難題，通常采用延性抗震方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，而震后易修復(fù)的減隔震方案較難應(yīng)用于高墩橋梁。高墩延性設(shè)計(jì)十分困難，且按多個(gè)塑性鉸進(jìn)行墩柱延性抗震設(shè)計(jì)性能未必可靠。橋梁常用的減隔震設(shè)計(jì)方法是采用墩頂減隔震，而墩底減隔震鮮有采用，目前世界上只有幾座橋梁采用墩底減隔震方式，如希臘Rion-Antirion跨海斜拉橋[1-3]。本文提出在橋墩中層放置減隔震支座的結(jié)構(gòu)形式，在墩中上部位置設(shè)置減隔震支座，變高墩為低墩，使得橋墩由抗彎轉(zhuǎn)向抗剪，還可以增強(qiáng)橋梁體系的耗能減震與限位能力，提高高墩橋梁采用減隔震技術(shù)的適應(yīng)性。

1 中層減隔震體系原理及裝置

1.1中層減隔震體系介紹

減隔震技術(shù)采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；采用阻尼器式能量耗散元件，限制結(jié)構(gòu)位移；保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度[4]。結(jié)構(gòu)的加速度譜和位移譜如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)的加速度譜和位移譜

中層減隔震支座的放置，將傳統(tǒng)高墩分成2部分，上半部分橋墩與梁體固結(jié)。中層減隔震裝置見圖2。

圖2 中層減隔震高墩體系示意圖

1.2中層減隔震高墩的力學(xué)模型

2 算例分析

以某城市連續(xù)梁橋?yàn)橐劳校?jì)算聯(lián)橋墩為高30 m，順橋向3 m，橫橋向6 m，壁厚0.5 m的空腹式單墩，上部結(jié)構(gòu)為混凝土箱梁。本文分析了4種型式的橋梁：剛構(gòu)橋梁、墩頂減隔震體系橋梁、墩底減隔震體系橋梁、中層減隔震體系橋梁(考慮到梁體剛度并非無限大，故支座放置分別在0.5倍墩高位置和0.6倍墩高位置，用于比較二者差異，其中0.6倍墩高指支座距墩底高度為整個(gè)橋墩高度的0.6倍)。

2.1減隔震體系橋梁型式的比較

橋梁減隔震型式如圖3所示。

圖3 橋梁減隔震型式示意圖

1)墩頂減隔震體系。即在橋墩頂部放置減隔震支座。上面結(jié)構(gòu)為連續(xù)梁，下部的橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)。橋梁墩身在地震力作用下會(huì)發(fā)生一定程度的彎曲變形，即產(chǎn)生墩頂位移。

2)墩底減隔震體系。即在橋墩底部放置減隔震支座。橋墩頂部與上部結(jié)構(gòu)固結(jié)。為了保證墩底減隔震體系的幾何穩(wěn)定性和抗覆性(主要是橫向)，必須在橫向設(shè)置至少2個(gè)分離的支座(單墩橋梁)或者應(yīng)用框架式橋墩。

3)中層減隔震體系。即在橋墩中上部設(shè)置減隔震支座。上半部分橋墩與梁體固結(jié)，下半部分橋墩與基礎(chǔ)固結(jié)。支座布置型式同墩頂減隔震體系。

對(duì)于同一座橋梁進(jìn)行4種設(shè)計(jì)(剛構(gòu)橋、墩頂放置減隔震支座、墩底放置減隔震支座、墩中層放置減隔震支座)，對(duì)它們的動(dòng)力特性與地震反應(yīng)進(jìn)行分析與比較。本文針對(duì)采用這4種型式均可行的梁橋，分析橋梁動(dòng)力特性與地震反應(yīng)變化的一般規(guī)律，并應(yīng)用SAP2000程序進(jìn)行有限元模型分析，得出有關(guān)中層減隔震體系減震特點(diǎn)的一些初步結(jié)論。

2.2支座選取

支座采用摩擦擺支座(FPS)，支座噸位為3 000 t(中墩支座)與800 t(邊墩支座)，曲率半徑分別為6 ，4 m。其中墩頂減隔震體系與中層減隔震體系的支座反力19 000 kN，墩底支座反力20 000 kN，邊墩支座反力5 000 kN。橫向布置2個(gè)支座，間距3.0 m。支座參數(shù)如表1所示。

表1 支座參數(shù)

2.3計(jì)算模型

計(jì)算模型中，橋墩采用框架單元，支座采用Plastic(Wen)進(jìn)行模擬，主橋不考慮樁土相互作用，即在建立模型時(shí)將基礎(chǔ)按剛性固結(jié)處理。所建立的模型如圖4所示。

圖4 計(jì)算模型體系

2.4不同型式橋梁的動(dòng)力時(shí)程分析比較

依照文獻(xiàn)[6]確定水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，取最大水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜為0.5g(g為重力加速度，g=9.8 m/s2)，特征周期為0.45 s。可得反應(yīng)譜如圖5所示，并按照此反應(yīng)譜生成3條時(shí)程波，將這3組數(shù)據(jù)反算成反應(yīng)譜與源反應(yīng)譜對(duì)照[7]，其吻合良好，如圖6所示。

取3條時(shí)程波計(jì)算得到不同型式橋梁震動(dòng)下關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

2.5結(jié)果分析

1)剛構(gòu)橋梁的墩頂與墩底彎矩、墩頂與墩底剪力均處在較高的水平，墩頂減隔震體系與墩底減隔震體系均在一定程度上降低了上述參數(shù)，中層減隔震體系中墩頂與墩底彎矩均處于較低水平，僅為墩頂減隔震體系的40%。中層減隔震體系中，與0.6倍墩高布置型式相比，0.5倍墩高布置支座型式的墩頂、墩底彎矩大致相當(dāng)，使得橋墩能夠發(fā)揮最大的效率。

2)墩底減隔震體系的橋墩頂部位移為0.094 m，中層減隔震體系為0.077 m，墩頂減隔震體系最小，為0.04 m；墩底減隔震體系墩底剪力小，墩頂減隔震體系墩底剪力最大，中層減隔震體系適中。這表明墩頂位移與墩底剪力“互斥”，相比較而言，中層減隔震體系更為合理。

圖5 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

圖6 反算反應(yīng)譜

表2不同型式橋梁震動(dòng)下關(guān)鍵參數(shù)

模型體系墩頂彎矩/(kN·m)墩底彎矩/(kN·m)墩頂位移/m墩底剪力/kN墩頂剪力/kN梁體位移/m中墩支座位移/m中墩支座剪力/kN邊墩支座位移/m邊墩支座剪力/kN剛構(gòu)1135601177610．058803374480．059000．055167墩頂減隔震0452300．040190312820．0910．0675850．090210中層減隔震(0．6倍墩高)14681243220．077174412620．0770．0695890．071192中層減隔震(0．5倍墩高)18625172070．077160612690．0770．0685910．075192墩底減隔震3819100．094127513670．0940．0636020．093214

3)中層減隔震體系的位移較小，僅為0.077 m，能很好地控制梁體順橋向位移。

4)幾種減隔震體系的中墩支座變形與支座剪力大致相當(dāng)，這表明中墩支座在不同減隔震體系中的響應(yīng)并無差異。

5)中層減隔震體系的支座位移與支座剪力較低，減少了主橋?qū)叾盏哪芰π枨螅⒛鼙苊饴淞菏鹿实陌l(fā)生。

2.6中層減隔震體系的優(yōu)點(diǎn)

1)與通常設(shè)計(jì)的高墩相比，中層減震裝置在隔震作用發(fā)生前各方向抗推剛度大，大大提高了高墩橋梁采用減隔震技術(shù)的適應(yīng)性。

2) 具有很好的經(jīng)濟(jì)性。該技術(shù)采用的橋墩基礎(chǔ)的能力設(shè)計(jì)要求大大降低，與延性抗震設(shè)計(jì)高墩相比，震后更加方便維修。

3) 應(yīng)用減隔震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行強(qiáng)震情況下高墩的抗震設(shè)計(jì)，預(yù)先設(shè)定結(jié)構(gòu)的減震限位部件，保護(hù)主要構(gòu)件墩身，顯著提高高墩的抗震能力，體現(xiàn)了抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)，能夠很好的解決高烈度區(qū)的山區(qū)高墩橋梁的抗震問題。[8-9]

3 結(jié)語

1)中層減隔震體系大大提高了結(jié)構(gòu)的剛度，使其更適于減隔震技術(shù)的應(yīng)用。2)在同樣的地震波作用下，中層減隔震體系具有比墩頂、墩底減隔震體系更優(yōu)越的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。橋墩內(nèi)力顯著降低，這大大降低了橋梁對(duì)基礎(chǔ)的能力需求。同時(shí)，應(yīng)用中層減隔震體系，可以降低主橋?qū)τ谶叾盏哪芰π枨螅蟠筇岣吡讼虏拷Y(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。3)相對(duì)于墩頂與墩底減隔震體系，中層減隔震體系能夠有效降低地震力的影響與減小梁體順橋向位移。但對(duì)于這種特殊型式的橋梁，應(yīng)當(dāng)注意的是高墩橋梁中層減隔震體系具有良好的抗震效果，但同墩底減隔震體系一樣，應(yīng)在放置中層減隔震支座的同時(shí)設(shè)置擋塊或設(shè)置拉索支座等限位裝置，防止橋墩由于可能產(chǎn)生的過大位移出現(xiàn)失穩(wěn)。

具體選取哪種減隔震體系還需按照工程所需，中層減隔震體系能合理有效地控制橋墩的內(nèi)力，而墩底減隔震體系能最大限度地降低橋梁對(duì)基礎(chǔ)的需求。目前對(duì)于中層減隔震高墩橋梁的研究還很少，有些研究也僅處在理論研究階段，未來有待對(duì)其實(shí)際推廣和應(yīng)用進(jìn)行更加深入的研究。

[1]Jacques Combault.The Rion-Antirion Bridge—When a Dream Becomes Reality[J].Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China,2011,5(4):415-426.

[2]Yang D, Peck R B.Numerical Model Validation for Independent Check of Rion-Antirion Bridge[J].Canadian Geotechnical Journal, 2004,41(5):921-942.

[3]Combault J, Morand P.The Exceptional Structure of The Rion-Antirion Bridge in Greece[C]//Proceedings of The IABSE Symposium in Kobe, Japan：[S.n.]，1998.

[4]葉愛軍，管仲國．橋梁抗震[M]．北京：人民交通出版社，2011.

[5]朱慈勉，張偉平.結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2009.

[6]中華人民共和國交通運(yùn)輸部．JTG/TB02-01—2008 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S]．北京：人民交通出版社，2008.

[7]范立礎(chǔ)，王志強(qiáng)．橋梁減隔震設(shè)計(jì)[M]．北京：人民交通出版社，2001.

[8]李曙光．梁橋墩頂隔震與墩底隔震減震效果比較研究[D].西安：長安大學(xué)，2004.

[9]李立勇.防止工程結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌的概念控制[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2012,20(4):47-51.

SeismicAnalysisofIrregularBridgeBasedonPier-MiddleSeismicIsolationDesignAlongSpanDirection

TIANSheng-ze,YUANWan-cheng*

(StateKeyLaboratoryonDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Beginning with the seismic difficulties of bridges with high piers, the paper studies the influence of the pier position on the seismic performance. It presents the structure design plan in which the traditional bridge pier changes the position from the top to the middle, the top is tightly fixed with the beam, and the high pier turns to the low one so that the high-pier bridge seismic design changes from the ductility design to the seismic design. The fly-over highway of a city is used as an example to study and evaluate the seismic performance of the steel structure design, the pier-top seismic design, pier-middle seismic design and pier-bottom seismic design. The research shows that the pier-middle seismic design can improve and optimize the earthquake responses of high-pier bridges in the high-intensity area.

pier-middle seismic isolation design; high piers bridge seismic isolation design; seismic isolation design method; traditional seismic isolation design

郎偉鋒)

2014-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51278376)

田圣澤(1992—)，男，江蘇睢寧人，同濟(jì)大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闃蛄嚎拐?*袁萬城(1962—)，男，江西湖口人，同濟(jì)大學(xué)研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闃蛄嚎拐鹋c振動(dòng).

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.010

U441.3

A

1672-0032(2014)03-0046-05