多跨混凝土连续梁桥隔震措施研究.pdf
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1、3 2 桥梁建设2 0 1 4年第 4 4卷第 2期( 总第 2 2 5期) B r i d g e Co n s t r u c t i o n ,Vo 1 4 4,No 2 ,2 0 1 4 ( To t a l l y No 2 2 5 ) 文章编 号 : 1 0 0 3 4 7 2 2 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 3 2 0 6 多跨混凝土连续梁桥 隔震措 施研 究 许 ( 福州大学土木工 莉 , 祁 皑 程 学院 , 福建 福 州 3 5 0 1 0 8 ) 摘 要:采用合适的隔震措施是改善 多跨连续梁桥 固定墩承受过大地震力作 用的有效方法。 以某六跨混凝土连续梁桥为工
2、程背景 , 通过有限元软件 ANS YS计算分析 , 在该桥中间墩 处分别设 摩擦摆支座和减震球型支座 2种隔震体 系, 研究 2种隔震体 系对桥 梁地震响应的影响规律 。结果 表明: 2种隔震措施均能有效地降低顺桥向桥墩 内力和位移, 因此隔震体 系与抗震体 系相比受力更 为合理 ; 从支座的竖向承载力和回复刚度等方面考虑 , 摩擦摆 支座具有显著的优点, 因此建议此类 连续梁桥采取 隔震措施时采用摩擦摆 支座。 关键词 : 连续梁桥 ; 隔震措施 ; 减震球 型支座 ; 摩擦摆支座 ; 地震响应 ; 动力分析; 有限元法 中图分类号:U4 4 8 2 1 ; T U3 5 2 1 2 文献
3、标志码 : A S t u d y o f S e i s mi c I s o l a t i o n M e a s u r e s f o r M u l t i - S pa n Co nc r e t e Co nt i n u o u s Gi r d e r Br i d g e XU Li , ( S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g,Fu z h o u QI A Un i v e r s i t y,Fu z h o u 3 5 0 1 0 8,Ch i n a ) Abs t r a c t :To t a ke t
4、h e p r o p e r s e i s m i c i s ol a t i o n me a s u r e s f or t h e f i xe d p i e r s of m u l t i s p a n c o n c r e t e c o n t i n u o u s g i r d e r b r i d g e i s a n e f f e c t i v e wa y t o i mp r o v e t h e p i e r s s u b j e c t e d t o t h e a c t i o n o f s e i s mi c f o r
5、c e I n t hi s p a pe r,a s i x s pa n c o nc r e t e c o nt i nu ou s g i r de r b r i dg e wa s c i t e d a s a n e x a mpl e a n d b y me a ns o f t h e f i ni t e e l e me nt s o f t wa r e AN S YS,t wo k i nd s of t he s e i s m i c i s o l a t i o n s y s t e ms o f t h e f r i c t i o n pe nd
6、 ul u m be a r i ng s a n d s e i s mi c m i t i ga t i o n s p he r i c a l be a r i n gs r e s pe c t i v e l y a r r a n ge d on t h e i nt e r m e di a t e pi e r s o f t he br i d g e we r e c a l c ul a t e d a nd a na l y z e d a nd t he l a ws o f i nf l u e nc e s o f t he t wo k i n d s o
7、f t h e s y s t e ms o n t h e s e i s mi c r e s p o n s e s o f t h e b r i d g e we r e s t u d i e d Th e r e s u l t s o f t h e s t ud y i n di c a t e t h a t t he t wo ki nds o f t he s y s t e ms c a n e f f e c t i v e l y r e du c e t he i nt e r n a l f o r c e s a n d d i s p l a c e me
8、 n t o f t h e p i e r s i n t h e l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n o f t h e b r i d g e I n c o mp a r i s o n wi t h t h e s e i s mi c r e s i s t a nt s ys t e m ,t he f or c e c o nd i t i on s o f t he s e i s mi c i s ol a t i o n s y s t e m a r e m o r e r e a s o n a bl e a nd i
9、n c o ns i d e r a t i o n o f t he ve r t i c a l be a r i ng c a pa c i t y a n d r e s i l i e nt s t i f f ne s s o f t he be a r i ng s,t h e f r i c t i o n pe n du l um b e a r i ng s ha v e o bv i o us a dv a n t a g e a n d i t i s t h e r e f o r e p r o p os e d t ha t t h e p e nd ul u m
10、 be a r i n gs s ho ul d b e s e l e c t e d f o r s u c h t y pe o f t he br i d ge s wh e r e t he s e i s m i c i s o l a t i o n m e a s u r e s a r e r e qu i r e d t o b e t a ke n Ke y wo r ds :c o nt i nu ou s g i r de r br i d g e;s e i s mi c i s o l a t i o n me as u r e;s e i s mi c mi t
11、 i ga t i on s p he r i c a l b e a r i n g;f r i c t i o n pe nd ul u m be a r i n g;s e i s mi c r e s po n s e;d yn a mi c a n a l ys i s ;f i ni t e e l e me n t me t ho d 1 引 言 多跨 混 凝 土连 续 梁桥 具 有结 构 刚度 大 、 变 形小 收稿 日期: 收稿 日期: 作者简 介: 的特点 , 在我 国有着广泛的应用 。但是对于连续梁 桥来说, 绝大多数上部结构 的地震作用都是 由固定 2 O 1 3 一
12、一 05 福州大学科技 发展基金( 2 0 1 3 一 XQ- 3 6 ) ; 福州市科技计划项 目( 2 0 1 2 一 G 一 1 3 0 ) S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y De v e l o p me n t Fu n d o f Fu z ho u Un i v e r s i t y( 2 0 1 3 一 XQ- 3 6) ;Pr o j e c t o f S c i e n c e a n d Te c hn o l o g y Pr o g r a m o f Fu z h o u Ci t y ( 2 01 2 - G一 1
13、3 0 ) 许莉, 副教授 , E ma i l : 1 0 5 7 8 7 9 6 q q c o rn。研究方 向: 桥梁结构抗震 与减隔震 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 多跨 混凝土连续梁桥 隔震措 施研 究 许 莉 , 祁 皑 3 3 墩 来 承受 , 因而 固定 墩 的抗 震 设 计 必须 满 足 强 度 和 延性两方面的要求L I 。传统结构抗震设计方法是 增大桥墩和基础 的截面尺寸及配筋量 , 这不仅增加 结构造价 , 还带来施 工 困难 , 甚至在 一些高烈 度地 区, 即使采用延性抗震设计也很难满足桥梁 的抗震 性能 目标要求 “ 。 为
14、 此 经 过 大量 研 究 发 现 , 采 用 隔震 措 施 是 解决 此类 问题较 好 的方 法 。桥 梁 隔震 措施 是通 过延 长 结 构的 自振周期避开地震卓越周期或减小地震能量输 入 , 从而达到降低结构地震反应的 目的_ 5 , 它具有减 轻结构地震反应 、 使 主体结构始终处于弹性 工作状 态, 及震后修复方便等优点 。目前 , 国内外学者对桥 梁隔震 措 施 的研究 多数 集 中在 隔震 措施 对 大 中跨度 连续梁桥 的适 用性方 面l_ 6 , 而通过合理 选择实桥 中的隔震支座 , 了解不同隔震 支座对桥梁抗震性能 影响的研究开展得较少。因此 , 对桥梁采用合理有 效 的
15、隔震支座以确保其在地震 中的安全性 , 有着十 分 重要 的社会 和经 济 意义 。 2 工 程简 介 某 工程 为一 座 7 0 m+4 1 2 0 m+7 0 m 的六 跨 预 应力 混 凝 土 变 截 面 连 续 梁 桥 ( 图 1 ) , 上 、 下 行 分 离 , 单幅桥宽 1 6 5 m, 混凝 土梁采用 单箱单室箱形 截面 , 中支点梁高 7 4 m, 跨中梁高 3 0 m。o 6号 墩 高分 别 为 : 1 4 8 7 , 1 2 4 2 , 1 4 9 1 , 1 5 7 6 , 1 4 9 1 , 1 2 4 2 和 1 6 3 0 m, 基 础 为直径 2 2 m 的钻孔
16、 灌 注端 承 桩 。该 桥 主 要 构 件 的混 凝 土 强 度 等 级 为 : 主 梁 C 5 5 、 桥墩 C 4 0 、 承 台 C 3 5 、 桩基础 C 3 5 , 其泊松 比 v 均 为 0 2 , 质量 密度 均 为 2 6 0 0 k g m。 。根据 设 计 资 料 , 桥 面二 期 恒 载 集 度 为 8 7 7 k N m, 采 用 B类抗 震设 防 , 场地 抗 震设 防基 本 烈度 为 7度 , 抗 震 设 防措 施等 级 为 8度 。 由于连 续梁 桥 主 梁 是 通 过 支 座 与墩 、 台 相互 连 接 的 , 支 座 对 桥 梁 地 震 反 应 有 很 大
17、影 响 , 当梁 体 与 墩 、 台之 间 采用 固定 支座 连 接 时 , 墩 、 台所 受 的地震 7 0 1 2 0 1 2 0 水平 力将 非常 大 , 使 得 固定 墩 顺 桥 向成 为抗 震 设 计 的关键 , 因此本 文仅讨 论顺 桥 向 的隔震体 系 。 对于该连续梁桥而言, 由于只设置 3号墩处 固定墩 , 使得该墩处于十分不利的受力状态。因此 , 尝试对该桥进行隔震设计 , 使地 震作用下隔震装置 消耗大部分地震能量, 从而降低 下部结构所承受 的 惯性力和延性需求 。 摩擦摆支座是通过滑动摩擦 消耗地震能量 , 减 震球型支座通过弹簧装置保证恢复刚度及弹性变形 来抵御地震
18、输入能量l_ g 。本文采用摩擦摆支座和 减震球型支座 2 种 隔震体系进行对 比研究 , 以期得 出该桥隔震设计最优方案和建议 , 供设计单位优化 设计 时参 考 。 3 有 限 元模型 本文采用通用有限元软件 ANs YS建立了该桥 的三维有 限元计算模型 ( 图 2 ) 。根据研究 的需要, 建立鱼刺骨脊柱梁模 型。其中, 主梁 、 桥墩 、 承台和 桩基础均采用空间梁单元 B e a m1 8 8模拟 , 刚臂采用 B e a m4单 元 模 拟 , 支 座 采 用 非 线 性 弹 簧 单 元 C o mb i n 3 9模拟 , 为考虑桩土效应建立桩基单元 , 采 用 法 模拟 桩土
19、 相互 作用 , 二 期 恒载 采用 三 维 质 量 单元 Ma s s 2 1 模拟。在模型 中, 各构件截面特性、 连 接方式及边界条件均按实 际情况确定 , 力求较真实 地 反 映实 际结构 的力 学特 性 。 综合考虑桥梁整体减隔震设计 目标及梁纵向连 接方式 , 为了使结构在地震作用下的受力较为合理 , 经大量参数分析比较 , 本文确定 2种隔震支座的参 数 如下 : 摩擦 摆支 座 , 摩 擦力 1 0 0 7 8 k N, 初 始 刚 度 5 0 3 9 k N mm, 滑动 刚度 1 5 0 k N mm ; 减震 球 型 支 座 , 摩 擦 力 1 0 0 7 8 k N,
20、初 始 刚 度 5 0 3 9 k N mm, 滑动 刚度 1 0 0 k N mm。根 据前 期 已完成 的计算分析 , 并结合 以往常规 多跨连续梁桥的工程 经 验可 知 , 在 该六 跨连 续梁 桥 的 3个 中 问墩 处 ( 图 1 中的 2 4号墩) 设隔震支座效果较为理想 。 图 1 某 六跨连续梁桥跨径布置示意 Fi g 1 S pa n Ar r a n ge me nt of a S i x - S pa n Co nc r e t e Co nt i nu o us Gi r d e r Br i dg e 单位:m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c
21、o m 3 4 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 图 2 三维有 限元计算模型 Fi g 2 Thr e e - Di me n s i o na l Fi n i t e El e me nt Ca l c ul a t i on M o de l 4动力 特性分 析 为 了掌 握 结 构 的动力 特 性 , 对模 型进 行 了模 态 分析 。表 1 为该桥在采用抗震和 2 种隔震体系时前 1 0阶 自振频 率 及 振 型 主 要 特性 , 从 表 1可 以 看 出 , 体系的振型没有因为支座形式 的变化而改变, 前 1 O 阶振型特性均主要表现
22、为主梁纵飘、 竖 向弯曲振动 和横 向弯曲振动 , 反映了连续梁桥结构体系的一般 特点。2种 隔震 体系下 , 结构 的基频分别为 0 1 7 7 Hz和 0 2 0 6 Hz , 与抗 震体 系 相 比, 分 别 降低 了 6 2 9 7 和 5 6 9 1 。 表 1结构 前 1 0阶 自振频 率及 振型特征 Tab 1 Fi r s t 1 0 O r de rs o f Na t ur a l Vi br a t i o n Fr e qu e nc i e s a nd Ch a r a c t e r i s t i c s o f Vi br a t i o n Mo de s
23、of S t r u c t ur e 5 地震 响应分 析 依据抗震设计细则 “ 规定 , 此桥主跨属于 B类 抗震设计类别 , 选取 1 0 0年超越概率 4 的地震动 输入 ( 输入模式为顺桥 向和横桥向分别输入) , 不考 虑竖向地震动的作用, 并采用 大桥工程场地地震安 全 性评价 报告 提供 的 3条 不 同 的地 震 加 速 度 时程 曲线 , 分析时取 3 条地震波响应结果的最大值 。 5 1 顺 桥 向 内力分 析 连续梁在 3号墩采用固结体系 , 故其地震响应 最 大 。因此 , 隔震 的 主要 目标是 减小 3号 墩 的 地震 响应 。 抗震和 2种隔震体系下 , 桥墩墩
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- 混凝土 连续 梁桥隔震 措施 研究
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