某桥梁工程隔震设计的分析
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摘要: 近期以来, 国内工程抗震界在总结汶川地震灾害经验和教训的基础上达成普遍共识, 认为结构抗震概念设计、抗震构造和减震隔震措施应用的重要性十分明显, 减震隔震技术在桥梁结构上的应用和发展前景十分广阔。传统抗震设计方法旨在抵抗结构的地震反应, 并以结构构件的损害为代价消耗地震能量; 减隔震设计则着眼于如何减小地震能量输入和通过耗能装置耗散地震能量。
关键词: 预应力混凝土；桥梁工程; 减隔震; 摩擦摆支座; 连续梁桥; 参数分析
中图分类号：U445 文献标识码：A
1 工程概况与地震反应分析模型
1、1 工程概况
某3跨预应力混凝土连续梁桥跨度为(76+120+72)m,为省境内某高速公路中的一座跨河主桥,左右引桥分别为两联、跨径4×30m 的普通混凝土组合箱梁桥, 主桥主梁为变截面单室预应力混凝土箱梁, 位于主墩处的截面高度达7.0m。为了满足恒载作用下承载力要求, 主墩采用3.6m×7.0m 矩形截面实心独墩, 过渡墩为双柱门式桥墩, 墩截面直径2.0 m, 采用群桩基础, 桥型布置见图1。
图1 某预应力混凝土变截面连续梁桥桥型布置图( 长度单位: cm; 标高单位: m)
1、2 抗震设防标准及地震动输入
本文讨论的大跨预应力混凝土桥位于长江中下游地区南黄海地震带内, 属于强地震活动区, 抗震设防烈度达8.5 度。根据安评报告提供的桥址处地震动参数, 本文选用50 a 超越概率10% 的地震动参数验算结构强度和变形, 共采用3 条人工时程进行计算, 选取各条时程计算的最大地震反应的绝对值的平均值作为最终输出结果。
1、3 地震反应分析模型
本文采用SAP2000 非线性有限元软件对桥梁进行动力特性及非线性时程反应分析。建模时主梁、桥墩、桥台均用梁单元模拟, 将桥面系的竖向、横向挠曲刚度、扭转刚度和平动质量、转动质量都集中在中间节点上, 考虑支座的空间作用及桩土相互作用, 力求使所建立的计算模型能如实地反映结构构件的几何、材料特性以及各构件的边界连接条件。
2 传统抗震设计方案
2、1 常规约束方式
常规连续梁桥约束形式为: 各墩均设置横向约束支座, 以保证足够的抗侧刚度承担正常使用阶段振动荷载, 并约束左右两侧日照温差引起的侧向挠曲, 保证伸缩缝免于剪切破坏; 纵向只在一个主墩设固定支座,其余墩上均为滑动支座, 允许主梁随温度变化自由变形, 避免由于桥墩约束而产生过大的温度应力。在50a10%超越概率水平的地震作用下, 采用常规支座约束方式, 主桥各墩底最大弯矩见表1 中方案1。
表1各主要截面最大弯矩( 单位:kN˙m)
此结构体系在高烈度地震区对抗震不利: 结构横向刚度偏大, 各墩横向地震作用下承载力严重不足;主梁纵向惯性力仅由固定墩承担, 其余桥墩对纵向抗震贡献很小, 使得固定墩地震反应很大, 不能满足承载力要求。构件在经历地震过程中, 任意时刻截面所受弯矩和轴力具有对应关系, 一般情况下结构上部自重产生的轴力远大于地震作用( 水平+ 竖向) 产生的轴力,桥墩截面轴力时程分布相对集中, 因此表2 将截面最大地震弯矩作为最不利弯矩带来的误差并不大, 可以用于宏观地判断截面的受力状态。
表2 各主要截面地震反应能力/需求比
2.2 抗震设计优化
考虑到在常规约束方案下, 结构横向地震需求远超过各墩承载能力, 纵向固定墩承担惯性力过大的情况, 有针对性地做如下调整: 增大主墩截面尺寸, 由原来3.6 m×7.0 m 改变为3.6 m×8.0 m, 以适当提高各桥墩横向承载能力; 纵向考虑2 个主墩同时约束, 纵向惯性力由2 个主墩共同承担, 暂时不考虑温度应力对主桥的不利影响。
对比方案1、方案2 可以发现, 横向地震作用下, 为了增强桥墩截面承载力而加大截面尺寸的做法并不奏效。因为由于截面尺寸的增大, 使得结构刚度也迅速上升, 从而使结构地震反应相应增加, 主墩墩底截面受力反而更加不利; 虽然2 个主墩共同承担纵向地震反应, 但由于桥梁纵向约束刚度增加一倍, 结构地震反应也大大增加, 使得墩底截面承载能力仍然无法满足要求。因此本文考虑采用减隔震措施以达到抗震设计要求。
3 减震隔震分析
当结构自振周期大于地震动特征周期时, 自振周期越大结构的地震反应越小, 隔震和减震的原理在于通过设置柔性支撑来延长结构自振周期, 避开地震能量集中的范围, 并通过设置消能装置抑制随结构周期增大而增大的结构位移。
3、1 摩擦摆支座的基本原理
隔震和减震装置种类较多, 常用的有叠层橡胶支座、铅芯橡胶支座、滑动摩擦支座等。叠层橡胶支座水平刚度较小, 在较低的水平力作用下也有可能产生较大的位移; 铅芯橡胶支座由于铅芯提供了抵抗风、车辆制动等荷载的较大初始刚度而具有一定的优越性, 而且铅芯橡胶支座在地震作用过程中的屈服行为具有耗能和隔震的双重功能, 但由于铅芯截面不可能太大, 因此单个支座的耗能能力有限。滑动摩擦支座相比之下在耗能方面占有很大的优势, 通常摩擦滑动面( 聚四氟乙烯与不锈钢板) 在温度或徐变产生的推动作用下, 产生的摩擦系数约为0.02~ 0.03 ( 加剂) , 但在典型地震速度和桥梁支座压力下, 摩擦系数相当高, 约在0.10~ 0.15 之间。如不进行措施, 此系数可以更大。本文采用具有自恢复力的摩擦摆支座对前述桥梁进行减隔震设计。摩擦摆支座的耗能原理同一般的滑动摩擦支座一样, 优势在于球形滑动面可使上部结构在自重作用下产生自恢复力,地震后结构能自动复位。图2为摩擦摆支座的构造和力学性能示意图。
图2 双向摩擦摆支座
由于支座的摩擦力Fd(t)和摆回复力FP(t)方向相同, 支座总的剪力为
F= Fd (t) + FP (t) = - Pμz -,( 1)
式中, P 为支座轴向压力;μ为摩擦系数; z 为反映摩擦滞后效应的内部参数; R 为摆支座球面曲线半径; d为支座的水平位移。
3、2 减震隔震参数分析
摩擦摆支座的2 个主要设计参数为滑动曲面半径R 和摩擦面滑动摩擦系数μ, Park利用几条具有代表性的地震波分析了采用滑动摩擦支座隔震的桥梁,归纳出隔震桥梁一阶自振周期T1 和滑动摩擦系数等参数与桥梁峰值反应的关系, 指出在一般情况下, 隔震桥梁的位移峰值反应随摩擦系数μ增大而减小, 墩底倾覆弯矩随μ增大而增大; 随T1 增大, 上部结构位移峰值增大, 墩底倾覆弯矩减小。本文在每个主墩上设置2 个摩擦摆支座, 过渡墩上设置普通滑动支座。由于隔震桥梁一阶振动周期和隔震支座自振周期有很大的相关性, 因此本文利用非线性时程分析方法针对滑动曲面半径R 和摩擦面滑动摩擦系数μ进行了分析。可以看出曲面半径对结构地震反应具有显著的影响, 随着曲面半径的增大支座峰值位移增大, 墩底截面弯矩减小。随着摩擦系数增大, 支座峰值位移下降而墩底倾覆弯矩增大。此外, 桥梁纵横2 个方向, 桥墩对上部结构的约束刚度不同, 主要受到桥墩截面形式的影响, 纵向约束刚度比横向约束刚度要小, 因此横向地震作用下, 支座位移和桥墩倾覆弯矩随摩擦系数μ变化的趋势更加平直, 而纵向地震作用下, 该趋势受到桥墩刚度等其他因素的影响较大。
4 结语
( 1) 高烈度地区大跨预应力混凝土连续梁桥抗震设计中, 由于结构地震反应对结构参数十分敏感, 利用增加截面或改变结构约束形式来改善抗震性能的做法不一定合适。
( 2) 采用摩擦摆支座对大跨混凝土连续梁桥进行隔震设计可以取得很好的效果。结构反应随滑动曲面半径和摩擦系数变化的趋势较为明确, 易于隔震装置的设计。
( 3) 桥梁纵横2 个方向受到的约束刚度不同, 当某个方向刚度较小时, 固定墩刚度、桩基布置方式等其他决定桥梁运动刚度的因素对地震反应随隔震装置参数变动的趋势有不容忽视的影响。