长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选.pdf
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1、第 2 8卷第 3期 2 0 1 1年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 2 8 No 3 Se p 2 01 l 长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 卓卫东, 孙颖, 谷 音 (福州大学土木工程学院, 福建福州3 5 0 1 0 8 ) 摘要: 长大公路混凝土连续梁桥通常具有全桥连续长度大、 联长较长 、 上部混凝土主梁 自重较大、 结构较刚等 特点, 当建于强震区时, 其抗震设计是个技术难点。本文介绍了长大公路混凝土连续梁桥的抗震结构、 隔震结
2、 构和振动控制结构的设计概念, 并对 3种基本抗震设计概念的适用性进行了评述。基于实桥案例, 对当前实际 工程 中应用最多的抗震结构方案与隔震结构方案进行 了技术 比选 。结 构地震反 应分 析结果 表明 , 与常规 的抗 震结 构方案相 比, 隔震结构方案 可使 全桥各联 下部 结构 的纵桥向和横桥向的总地震 内力平 均降低 5 6 和 6 5 以上。本文还侧重介绍了方案比选中隔震支座的选型问题及初拟铅芯橡胶隔震支座设计参数的简化方法, 供 同类工程参考借鉴。 关键词: 公路; 长大连续梁桥 ; 抗震结构; 隔震结构; 方案比选 中图分类号 : U 4 4 2 5 5 文献标识码 : A 文
3、章 编号 : 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 -03 1 3 -09 长大桥梁通常是指总长在 1 0 0 0 m 以上 的桥 梁 。对长大公路 昆凝土连续 梁桥 , 通常还具有多 跨 、 多联 的特点。当前 , 桥梁抗震可以采取 “ 抗震 结构” 、 “ 隔震结构 ” 和 “ 振动控 制结构 ” 等 型式 。 除了需外部能量输入 的“ 振动控制 结构” 的设计 理论 尚不成熟 、 应用较少外 , 其余两类结构的设计 理论都较为成熟 , 并得 到了大量的工程应用 。本 文首先就长大公路混凝土连续梁桥 的抗震设计概 念进行讨论 ; 然后 , 以某一总长达 4 1
4、 5 3 2 m的公 路预应力混凝土连续梁桥为工程背景 , 对常规 的 “ 抗震结构” 方案与先进的“ 隔震结 构” 方案进行 了技术比选 。文中还侧重讨论 了方案比选中隔震 支座的选型及其设计参数初拟的问题 , 以供 同类 工程参考借鉴。 1 长大连续梁桥 的抗震设计概念 目前 , 长大公路混凝土连续梁桥建于强震区 时 , 其抗震设计主要可采用“ 抗震结构”、 “ 隔震结 构” 和“ 振动控制结构” 等三种型式 ; 其 中, “ 隔震 结构” 实质上属于 “ 振动控制结构 ” 型式 , 由于其 特殊性及较多的工程应用 , 所以也单独列为一类。 以下 , 就长大公路混凝土连续梁桥 , 对这三种
5、型式 的设计概念进行讨论 。 1 1 抗震结构设计概念 “ 抗震结构” 是指仅依靠构件 自身强度 、 刚度 和延性来抵抗地震作用的桥梁结构。它是一种传 统的抗震设计概念 , 也是 当前实际工程 中应用最 多的。在设计理论上 , 可 以采用强度设计理论或 延性 设计 理论 。 对长大公路混凝土连续梁桥 , 由于其多跨 、 多 联或一联多跨的特点 , 为 了适 应上部结构温度变 形以及混凝土收缩 、 徐变等需要 , 往往一联仅设置 一 个或少量的固定 支座墩 , 用 于抵抗汽车制动力 等水平荷载。然而 , 当其建于强震区时, 固定支座 墩往往承担了绝大部分的纵桥向的上部结构地震 惯性力 , 从而对
6、 固定支座墩提 出了很高 的强 度和延性要求 ; 相应地 , 对与之连接的固定支座和 下部基础也提出了很高的设计强度要求 。为满足 抗震设计要求 , 可采取增大 固定支座墩及其下部 基础截面, 或在一联 中增加 固定支座墩数量等技 术措施 , 但这些措施又会增大结构的刚度 和设计 地震力 , 使得传统的“ 抗震结构” 设计概念对长大 公路混凝 土连续梁桥 往往 表现得 “ 力不从 心” 。 更好的技术措施之一是全桥各墩都设置弹性支座 ( 如板式橡胶支座) , 使各墩共同承担纵桥向的上 部结构地震惯性力 , 但这种措施一般仅适用于中、 小跨径的公路混凝 土连续梁桥。此外 , 目前 “ 抗 收稿
7、日期 : 2 0 1 1 - 0 5 3 0 作者简介 : 卓 卫东( 1 9 6 6 ) , 男 , 福建莆 田人 , 教授 , 博导 , 博士 , 研究方 向为桥梁抗震 ( E m a i l : z h u o w d f z u e d u c n ) 基金项 目:福建省高等学校新世纪优 秀人才支持计划( T W2 0 0 6 - 2 8 ) 3 1 4 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 震结构” 大都基 于延性设计理论 、 采用能力设计 法进行抗震设计 , 通常选择抗侧力桥墩 ( 通常是 全桥的所有桥墩 ) 作 为延性 构件 , 其余 的作为能 力保护构件 ; 这样 , 混凝土
8、桥墩在设计预期的大震 作用下就不可避免要发生损坏甚至严重破坏 J 。 这也是传统的“ 抗震结构” 设计概念的一个缺陷。 为了使长大公路混凝土连续梁桥的活动支座 墩参与承担纵桥向的上部结构地震惯性力, 近年 来国外开发 了一种称为 “ L o c k u p ” 的装置 ( 简称 L U D) , 又称为 冲击传递装置 ( S h o c k T r a n s m i s s i o n U n i t ) 。当受到突加的动力激励时, 如破坏性 的 地震 、 风和瞬 间制动力等 , L U D装 置能迅速锁定 连接该装置 的两端节点 的相对位 移。可以设定 L U D装置的锁定速率 , 使之在
9、温度变形或混凝土 收缩 、 徐变等缓慢变形下不发挥作用。依 照 L U D 装置的工作原理 , 可根据需要在长大公路混凝土 连续梁桥 的活动支座墩 与主梁之问安装 L U D装 置 , 在正常使用条件下 , L U D装置基本不 改变桥 梁结构的原有功能 , 但在突发 的破坏性地震作用 下, 迅速锁定活动支座墩与主梁之间的相对位移, 使活动支座墩瞬间变为“ 固定支座墩” 。因此 , 这 也是使各墩共 同承担纵桥 向的上部结构地震惯性 力的一种技术措施 。目前 , 一些研究者已对 L U D 装置的有效性进行了探讨 , 并 已有一些工程应用 的实例 7 。 1 2 隔震结构设计概念 “ 隔震结构
10、” 的设计概念是指采用隔震装置, 将桥梁结构与可能引起破坏的地震地面运动隔离 开 。按隔震装置的隔震原理与特性 , 可以将桥梁 隔震技术分为柔性 支承隔震技术、 滑动隔震技术 和滚动隔震技术等三类。 1 2 1柔性支承隔震技术 柔性支承隔震技术是指在桥梁的上、 下部结 构之间设置具有较低的水平侧向刚度的柔性支 座 , 以延长结构 的 自振周期 , 避开地震 的卓越周 期 , 隔断地震能量传递给上部结构 , 从而达到降低 结构设计地震力的目的。 目前常用的柔性支承隔 震装置主要为橡胶类 隔震支座 , 包括叠层橡胶隔 震支座 、 铅芯橡胶隔震支座和高阻尼橡胶隔震支 座等, 它们都具有低水平侧 向刚
11、度和高竖 向刚度 的特性, 能够满足桥梁的正常使用要求和隔震要 求。这类隔震装置的隔震概念明确 , 构造简单 , 技 术成熟, 所 以在实际工程中应用最广泛; 其局 限性 是竖 向承载力有 限, 但 目前 国内正在研发大吨位 的橡胶隔震支座 , 最大竖向承载力可达 3 0 0 0 t 。 目前 , 柔 性 支 承 隔 震 设 计 理论 已较 为 成 熟 。这种隔震技术 对 自振周期较 短的桥梁 隔 震效果明显 , 具有 良好 的技术经济指标; 不足之处 是对竖向地震作用一般没有减震效果 , 此外 , 对长 周期地 震作用 可能存 在共 振 的危 险。然 而, 从 1 9 9 4年美国北岭地震和
12、 1 9 9 5年 日本神户地震 中 隔震桥梁的表现看, 这两个问题的风险是比较小 的。因此 , 它是 目前长大公路混凝 土连续梁桥首 选的隔震技术。 1 2 2滑动隔震技术 滑动隔震技术是指在桥梁 的上、 下部结构之 问设置滑动接触面类型的隔震支座 , 由于滑动接 触面涂有低摩擦材料, 所以, 一方面可将上部结构 与下部结构的振动有效分离开 , 减少地震能量对 上部结构的输入; 另一方 面又限制了上部结构传 递到下部结构的地震力( 理论上仅为摩擦力 ) 。 最早开发的滑动隔震支座为聚四氟乙烯滑板 支座 , 但这类装置无 自复位能力 , 且滑动性能离散 性大、 不易控制, 所以其常与其它能提供
13、复位能力 的装置组合使用( 如聚四氟乙烯滑板支座与钢阻 尼器组合使用) 9 J 。为了解决传统的平面滑动 支座不能 自动复位的问题 , Z a y a s 等人于 1 9 8 5年 研发了摩擦 摆 隔震支座 ( F r i c t i o n P e n d u l u m S y s t e rn, 简称 F P S ) 。F P S实际上是依靠重力复位 的摩擦摆滑动机构( 图 1 ) , 它是将滑动支座与钟 摆原理相结合 的一种新 型隔震装置。经过 2 0多 年的发展, 目前已研发出 l 0余种摩擦摆隔震支 座 , 并 已在桥梁工程中得到了实际应用【 8 - 1 4 。 块 图 1 F P
14、 S构造示意图 滑动隔震技术通 过滑动隔震支座实 现桥梁 上、 下部结构之间的相对滑动, 并通过摩擦阻力消 耗地震能量, 起到了阻尼( 库伦摩擦阻尼) 耗能的 作用。因此 , 滑动隔震技术和摩擦耗能减震技术 往往联系在一起。滑动摩擦隔震体系的最大优点 是对输入地震动 的频谱特性不敏感 , 而且支座竖 向承载力较大 , 已成为一种具有较好发展前景的 桥梁隔震技术 。 1 2 3滚动隔震技术 滚动隔震技术是指在桥梁的上 、 下部结构之 间或基底设置滚球或滚轴支座 , 将上、 下部结构之 第 3期 卓卫东等: 长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选 3 1 5 问或结构与地基之间的振动隔离开来 。滚动隔
15、震 是一种古老的隔震思想 , 早 在 1 9 0 6年德 国人 J B e c h t o l d就提 出用滚球作 隔震基 础 , 并 申请 了美 国专利 ; 1 9 2 4年 , 日本人鬼头健三郎提 出球体隔 震方法 , 并取得专利。 滚动隔震技术与滑 动隔震技术相 比, 两者隔 震原理相同。但是 , 在滑动隔震体系中, 摩擦滑块 与滑动面是面接触 , 且能在滑移过程 中耗散地震 能量; 而滚动隔震体系是线接触( 滚轴支座) 或点 接触( 滚球支座) , 竖 向承载力受到较大 限制 , 因 此 , 在大跨径连续梁桥 中的应用存在困难。 上述几种隔震技术在降低桥梁结构设计地震 力的同时 , 往
16、往会增大上 、 下部结构之间的相对位 移。为了降低相对位移的幅值, 在实际工程应用 中常需要与耗能( 消能) 减震技术联合使用 , 从而 形成桥梁减隔震技术 。表 1 对桥梁常用的隔震装 置进行了简要的总结 比较 。除了上述的隔震技术 外 , 研究者还提 出了一些类似于建筑结构基础 隔 震的技术 , 如基础摇摆隔震技术等 , 并进行了极少 数的桥梁工程的应用尝试 J 。此外 , 台湾大学 张国镇教授还提出了一种功能性支承系统的隔震 概念。 J , 即采用普通橡胶支座 、 限位装置 以及 防 落梁构造或装置组合进行隔震 的思想 , 并进行 了 模型试验研究。 表 1 桥梁常用隔震装置比较 隔震装
17、置 技术特点 叠 层 橡 胶柔性支承隔震技术 , 几乎无耗能能力, 支座 一般需与其它耗能减震装置联合使用 墼 橡 胶柔 蠹 痞 薹 凑 震 集 薷 又脞 优点 意 橡 囊 秦 署 磊 作, 其形状及构造与天然橡胶支座相同 荔 矣 需 摩 擦 摆 支 滑动隔震与摩擦耗能减震组合技术, 有 座 自复位能力 , 竖向承载能力较大 滚 轴 (滚 滚动隔震技术, 隔震效果较理想 , 但 支 球) 支座 座竖向承载能力较小 1 3 振动控制结构设计概念 “ 振动控制结构”的设 计概念是指采用 现代 控制理论 , 在桥梁结构 的某些部位设置振动控制 装置 , 以减小或抑制结构的地震反应 , 提高结构的 抗
18、震能力 。它综合 了控制论 、 计算机 、 结构振动理 论等多领域的高新技术 , 可以有效地减轻桥 梁结 构在车辆 、 风 、 海浪 、 流冰、 地震等动力激励下的反 应 , 有效地提高结构 的抗振能力和抗灾性能 , 是 目 前最为先进和积极有效的设计概念 。桥梁 结构减震控制仅是其应用领域 中的一小部分。 按照控制措施 的实施 方式 , 结构振 动控制可 分为被动控制 、 主动控制 、 半主动控制和混合控制 四类 j 。按是否需要外部能量输入( 不包括激 励源输入结构的能量 ) , 可分为无源 控制和有源 控制两大类。其 中, 被动控制属于无源控制 , 而主 动控制 、 半主动控制和混合控制
19、都属于有源控制。 所谓主动控制 , 是指利用外部能源 , 在结构受激振 动过程 中, 对结构施加控制力或改变结构 的动力 特性 , 从而迅速减小结构的振动反应 , 达到保护结 构免遭损伤的目的。半主动控制是一种振动系统 的参数控制技术 , 它根据系统输入 的变化和对系 统输 出的要求 , 实时调节系统中某些环节的刚度 、 惯性以及阻尼特性 , 从 而使系统获得优 良的振动 特性 ; 半主动控制具备主动控制的效果 , 又只需很 少的能量 。混合控制主要是指将主动控制与被动 控制结合起来应用的控制方式 , 以克服纯被动控 制和主动控制的应用局限 , 在减小控制力的同时 , 减小外 部控制设备的功率
20、 、 体 积 、 能源 和维护费 用 , 增加系统的可靠性 。 “ 振动控制结构 ” 是 当前结构抗震研 究 中最 为活跃的领域。从结构减震控制技术在桥梁工程 中的实际应用情况看 , 最 常用的是被动控制 ( 或 无源控制) 技术 , 包括隔震技术 、 被 动耗能( 消能) 减震技术以及减隔震组合技术等 , 采用 L U D装置 减震的桥梁也可归于此类。主动控制技术理论上 是最有效 的, 但对于长大公路混凝土连续梁桥 , 由 于需要消耗很大 的能源 , 所 以不具有 现实意义 。 半主动控制技 术兼有被 动控制和 主动控 制的优 点 , 目前 已有桥梁工程的应用实例 , 但主要是用于 车振或风
21、振控制。隔震与主动控制相结合的混合 控制技术是 目前研究 的一个热点 , 美 国在混合控 制研究方面的大部分工作都集 中在该领域 , 并取 得 了一些成果 , 但在桥梁工程中尚无应用实例。 1 4长大连续梁桥抗震设计概念讨论 从能量角度来讨论桥梁结构的抗震设计概念 是十分有益的。从能量观点看 , “ 抗震结构” 是依 靠桥 梁构件 自身 损坏来 耗散地 震能量 , 打 的是 “ 消耗战”, 因此 , 对长大公路混凝土连续梁桥 , 传 统的“ 抗震结构” 往往难以满足设计要求 , 而且在 大地震作用下可能遭受严重 破坏 , 给震后修复造 成很大困难 。“ 隔震 结构 ” 往 往与被 动耗 能 (
22、 消 能) 减震技术联合使用 , 一方面通过 隔震装置减 少地震地面运动输入 到结构 中的能量 , 另一方 面 3 1 6 土木工程与管理学报 2 0 1 1 矩 又通过9 t q J I 的阻尼耗能机制消耗地震能量 , 打的 是“ 防御战” ; 所以 , 对长大公路混凝土连续梁桥 , “ 隔震结构” 与“ 抗震结构” 相比, 往往具有更佳的 抗震性能和经济性能, 而且在大地震作用下破坏 主要集中在隔震装置上 , 其它构件可不 出现损坏 或仅有轻微损坏 。采用主动控制、 半 主动控制或 混合控制的“ 振动控制结构” , 通过外部输入的能 量 , 以主动的方式来平衡或降低地震输入结构的 能量 ,
23、 尽管其技术更为有效 , 但 由于需要实时观测 结构反应 , 并进行实时分析和反馈控制 , 系统极为 复杂, 受制于经济和技术条件, 当前在长大公路混 凝土连续梁桥中推广应用还存在很大困难。 2 基于 实桥案例的抗震方案 比选 2 1 实桥案例概况 某跨海城市公路桥梁的主桥部分采用了预应 力混凝土连续梁桥设计方案 , 桥跨 布置为 ( 4 3 1 + 4 5 0 3 ) m+ 5( 85 0 3 ) I T I + 3( 8 5 0 3 ) m+ 7 5 0 3 m+( 65 0 3+3 5 8 ) m, 全桥共 1 1 联 , 总长 4 1 5 3 2 m。主梁采用等高度单箱单室箱 梁 ,
24、梁高 3 0 m, 顶板宽 1 5 5 1T I , 底板宽 6 1 m( 图 2 ) ; 根据下部结构受力要求 , 每联长度控制 在约 4 0 0 m以内。 ( a )低墩 ( a) 跨 中处 ( b)支 点处 图 2主梁典型截面 为满足桥梁 的建筑美学需要 , 全桥桥墩采用 了低墩、 中墩和高墩三种类型( 图 3 ) , 其中, 第 1 3联以及第 91 1联采用低墩型式 , 第 4联和 第 8联 同时采用中墩和高墩型式, 第 5 7联采用 高墩型式。低墩墩高在 1 01 5 m之间, 采用桩柱 式桥墩形式, 自墩顶至下方 1 0 m处墩身为变截 面, 截面形状为椭圆形 , 横桥 向尺寸从
25、墩顶处的 6 5 m变为 3 2 m, 纵桥向尺寸均为 3 2 m; 距墩 顶 1 0 m以下墩 身为圆形截面 , 直径均为 3 2 m; 下部桩基础为直径 3 5 m的钻孔桩 。中墩墩高在 1 5 2 5 m之间 , 采用花瓶 式实体桥墩形式 , 自墩 顶至下方 5 6 6 m处墩身为变截面 , 截面形状为带 1 。 广 - 。 I y 。 6 : In 一 l 一 I n 1 6 0 5 O I ) l 6 0 l l I I l l 8 2 0 1 I l 砒 憎 L I - 三 ! I ( b)中墩 图 3 桥墩立面 图 圆端的矩形 , 横桥 向尺寸从墩顶处的 6 7 8 m变为 5
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