大跨度鋼箱系桿拱橋減隔震措施對比研究

李 龍

(1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司 合肥市 230000;2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心 合肥市 230088)

0 引言

地震頻發對交通網絡中的橋梁結構造成嚴重破壞,使得橋梁抗震成為當前交通運輸領域的重要研究課題[1-2]。隨著國家經濟的發展,在公路或市政橋梁建設中,拱橋作為大跨度橋梁選型結構之一,已經得到越來越多的應用[3-4]。拱橋主要由拱圈、吊桿、橋面系、下部結構等連接構件組成。由于大跨度拱橋多采用鋼結構,結構體系較柔,抗震問題突出,多采用相對較傳統的抗震手段,如通過增大下部結構尺寸、加強配筋等措施提高橋梁結構抗震性能。結構尺寸的加大不僅增加造價,也影響橋梁整體景觀效果,抗震需求能力與結構尺寸的平衡較難取舍。因此選取合適的減隔震措施提高橋梁抗震性能已成為今后橋梁抗震研究領域的重要研究方向之一。

文章以樂山水口大渡河橋梁196m大跨度超寬鋼結構拱橋為研究對象,采用摩擦擺支座、速度鎖定器、拉索減震支座等方案進行橋梁結構減隔震研究,通過對比三種減隔震方案的異同點,為該橋后續抗震措施的選取提供建議參考。

1 工程概況

樂山市水口大渡河橋梁為單跨簡支鋼箱系桿拱橋,橋梁跨徑長度196m,斷面寬度為52m。拱圈截面采用矩形鋼箱拱,拱圈軸線為懸鏈線型,矢跨比為1∶4。橫橋向拱圈采用提籃造型,由雙片拱圈組成,拱圈內傾12°;主墩墩身采用三柱式橋墩,下部墩身邊柱斷面為5m×5m矩形斷面,上部擴大頭邊柱為6m×6m斷面形式,中柱斷面為5m×3m矩形斷面。主墩下部結構邊柱采用直徑12.4m圓形承臺接群樁基礎,中柱采用8m×8m矩形承臺接群樁基礎,承臺厚度4m。邊柱單個承臺下共7根直徑2m的鉆孔灌注樁基礎,中柱單個承臺下共4根直徑2m的鉆孔灌注樁基礎。橋梁總體布置圖見圖1。

圖1 橋梁總體布置圖(單位:cm)

2 橋梁有限元模型及場地時程特性

2.1 橋梁有限元模型

橋梁結構抗震分析采用有限元軟件Midas Civil進行模擬,荷載考慮結構自重、二期橫載和吊桿張拉力,并按實際作用位置對荷載進行施加;約束體系按橋梁實際支座位置進行設置,下部結構考慮樁土相互作用[5-6],采用節點彈性連接進行模擬,土彈簧剛度系數參考《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JTG D63—2007)中的“m法”進行計算,具體設置步驟如下:(1)根據樁長設置范圍土層分布,計算每層土的彈簧剛度系數;(2)合理劃分樁基單元,保證每層土的中間位置有相應的節點施加邊界條件;(3)對應邊界節點位置設置水平土彈簧。全橋共設置節點1730個,單元2430個,橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁結構有限元模型

2.2 地震場地特性及分析用地震動時程

考慮到該橋未做地震安全評估報告,根據大橋所處的橋位抗震設防烈度Ⅶ度區,地震動峰值加速度值為0.1g,地震動反應譜特征周期為0.4s,地震設計分組為第二組。通過三角級數法擬合7條反應譜與目標譜差值在5%以內的人工地震波進行分析,生成如圖3所示地震波。

圖3 人工波加速度時程示意圖

3 減隔震方案及裝置設計參數

文章對摩擦擺支座、速度鎖定器、拉索減震支座等方案的減震效果進行對比。各方案裝置布置、力學模型及裝置參數取值如下。

3.1 摩擦擺支座

為減小橋梁下部墩柱的P-△效應,擬采用滑動面向下的摩擦單擺支座進行模擬,摩擦擺支座結構示意圖見圖4。

圖4 摩擦單擺支座結構示意圖

采用Midas Civil自帶考慮軸力、非庫倫摩擦力及雙向耦合影響的雙軸塑性FDB模型,該模型在兩側過渡墩上均設置雙向摩擦單擺支座[7-8],為了精確分析該橋結構地震響應,選取豎向承載力30kN,約束向支座水平剪斷力為豎向承載力的10%,支座隔震周期T=3.5s,活動支座活動向位移量為±150mm型號的支座進行模擬,支座的滑動摩擦系數擬取0.03。

3.2 速度鎖定器

速度鎖定器[9-10]是一種主體為活塞式圓柱形腔體結構的抗震限位保護裝置,設置在活動支座側,當地震產生橋梁運動,速度達到鎖定支座的限速時,速度鎖定器便會發揮作用。此時活動支座變為固定型支座,共同分擔橋梁縱向水平力。

該模型在橋梁活動支座側設置速度鎖定器,計算分析采用粘滯阻尼器模型,合理的阻尼器參數是正確分析的關鍵,分析時采用較為接近速度鎖定器的粘滯阻尼器MAXWELL模型。經反復測算,確定參數能器阻尼Cd=2000kN,速度v0=2m/s,阻尼指數S=2,彈簧連接剛度為kb=40000kN/m。

3.3 拉索減震支座

拉索減震支座[11-12]的原理為滑板支座的摩擦耗能效應與拉索的限位作用相結合,在小震及中震作用下,保持固定支座正常使用功能;在罕遇地震作用下,通過剪斷抗剪螺栓的方法將固定支座變為活動支座,并用拉索限制梁體的相對位移。

經測算,文章采用拉索減震支座,豎向承載力30000kN,約束向支座水平剪斷力為豎向承載力的10%,拉索自由程±150mm,拉索水平極限承載力為支座豎向承載力的40%。

4 計算結果分析

為考察三種措施對大跨度鋼箱拱的減隔震對比效應,選取兩側過渡墩最大受力進行分析,主要結果如圖5～圖7所示。

圖5 三種措施下墩柱軸力對比

圖5中,在三種減隔震措施下,墩柱所受軸力基本一致。進一步分析可知,過渡墩兩側墩柱所受軸力較大,中間墩柱所受軸力較小,橋梁支座位置約束為過渡墩兩側,符合實際。

如圖6所示,在三種減隔震措施下,墩柱所受的剪力差異較大。在摩擦擺支座及拉索減隔震支座作用下,墩柱所受剪力一致,且各墩柱所受剪力基本一致,均勻性較好;在速度鎖定器作用下,墩柱支座內力發生較大的內力重分布。進一步分析可知,支座對應的墩柱剪力值增大,幅度較摩擦擺支座、拉索減震支座增大2.5倍。根據速度鎖定器原理可知,設置在活動支座側地震產生橋梁運動,速度達到鎖定支座的限速時,速度鎖定器便會發揮作用。此時活動支座變為固定型支座,共同分擔橋梁縱向水平力。結合項目實際需求,采用速度鎖定器顯著改變了墩柱受力,使得兩側墩柱與中間墩柱受力差異較大,墩柱因受力不均勻導致配筋不一致,故在大位移時不宜采用速度鎖定器。

圖6 三種措施下墩柱剪力對比

如圖7所示,在三種減隔震措施下,墩柱所受的彎矩差異較大。在摩擦擺支座及拉索減震支座作用下,墩柱所受的彎矩一致,且各墩柱所受剪力基本一致,均勻性較好,在速度鎖定器作用下,墩柱支座內力發生較大的內力重分布。進一步分析可知,支座對應的墩柱剪彎矩值增大,幅度較摩擦擺支座、拉索減震支座增大2.0倍,進而可知墩柱在摩擦擺支座作用下所受彎矩較拉索減震支座要小。故該橋可采用摩擦擺支座進行減隔震。

圖7 三種措施下墩柱彎矩對比

5 結論

文章以某大跨度鋼箱拱橋為研究對象,通過設置摩擦擺支座、速度鎖定器、拉索減震支座三種措施,對比分析三種減震措施下橋梁減隔震性能,得到以下研究結論:

(1)明確了三種減隔震措施的工作原理及結構參數,對比了三種減隔震措施作用下,橋梁所受的軸力、剪力和彎矩。

(2)三種減隔震措施下,墩柱所受的軸力差異較小,摩擦擺支座及拉索減震支座所受的剪力、彎矩差異較小。速度鎖定器作用下,墩柱所受的剪力及彎矩差異較大,剪力增大值是其余兩種措施的2.5倍,彎矩最大值是其余兩種措施的2.0倍。

(3)對比三種減隔震措施的效果可知,速度鎖定器引起墩柱的受力差異較大,不宜采用。摩擦擺支座與拉索減震支座引起墩柱軸力、剪力差異較小,墩柱彎矩摩擦擺支座作用下小于拉索減震支座。

(4)綜合比選,選用摩擦擺支座能較好地滿足工程需求。