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骏肥佟佳
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3 山区铁路高墩大跨刚构连续梁桥减震研究刘尊稳 1 陈兴冲 1 2,3 1 王平丁明波 (1. 兰州交通大学土木工程学院, 甘肃兰州 737;2. 西安理工大学岩土工程研究所, 陕西西安 7148;3. 中国地震局黄土地震工程重点实验室, 甘肃兰州 73) 摘要 : 山区高墩大跨刚构 - 连续梁桥结构比较特殊, 其地震反应复杂, 合理的减震设置对控制地震反应尤为重要以一座 ( )m 刚构 - 连续梁桥为研究对象, 运用非线性时程分析法进行计算通过在活动墩和桥台分别设置减震装置, 探讨减震效果, 基于最佳的减震设置, 进行考虑桥台损伤对结构减震的影响分析结果表明 :(1) 桥台处设置黏滞阻尼器既可保证活动墩内力不增加, 亦可显著降低刚构墩的内力 ;(2) 无论是桥墩还是桥台, 布置摩擦摆支座的减震效果不及布置黏滞阻尼器 ;(3) 桥台损伤对减震有一定的影响, 双侧桥台损伤和近刚构墩桥台损伤对刚构墩减震效果影响显著, 近活动墩侧桥台破坏则对其影响较小 ;(4) 在刚构 - 连续梁桥的桥台减震设计中应重视刚构侧桥台的设计, 确保近刚构墩侧桥台的线刚度达到 1 6 kn/m, 远离刚构墩侧桥台线刚度达到 1 5 kn/m, 实现桥台减震设计的可靠性关键词 : 刚构 - 连续梁桥, 粘滞阻尼器, 摩擦摆支座, 桥台损伤, 减震中图分类号 :U 文献标识码 :A Study on Seismic Reduction of High Pier and Large Span Rigid Frame-Continuous Girder Bridge in Mountainous Area Liu Zunwen 1,Chen Xingchong 1,Wang Ping 2,3,Ding Mingbo 1 (1. School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 737, China;2.Institute of Geotechnical Engineering, Xi'an University of Technology, Xi'an 7148;4. Key Laboratory of Loess Earthquake Engineering, Gansu Province & CEA, Lanzhou, 73, China) Abstract: The structure of high pier and large span rigid frame-continuous girder bridge in mountainous area is very special,and its seismic response is complex, So the reasonable isolation design is very important to control seismic response. Taking a (78+3x134+78)m rigid frame-continuous girder bridge as the research object, and the nonlinear time history analysis method is used to calculate the structure. By setting the isolating device in the movable pier and abutment respectively, the effect of isolation is discussed in this paper, and carries on the influence analysis of the bridge abutment damage to the structure damping based on the optimum damping setting. The results show that: (1) The setting of viscous damper at abutment can not only guarantee the internal force of active pier, but also reduce the internal force of rigid frame pier;(2) whether the bridge pier or abutment, the damping effect of the arrangement of friction pendulum is less than the arrangement of viscous damper;(3) Bridge abutment damage has certain influence to the isolation, the damage of two side abutment and the bridge abutment of the near rigid frame pier have obvious influence on the damping effect of the rigid frame pier, and the damage of the bridge abutment on the near movable pier has little influence on it;(4) In the design of bridge abutment of rigid frame-continuous girder bridge, we should focus on the design of rigid frame side abutment. It is ensured that the line stiffness of the side abutment of the near rigid frame pier reaches 1 6 kn/m orders of magnitude, and the stiffness of the lateral abutment of the rigid frame pier reaches 1 5 kn/m orders of magnitude, so as to realize the reliability of the bridge abutment damping design. Key words: Rigid frame-continuous beam bridge, viscous damper, friction pendulum bearing, abutment damage, seismic reduction 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( , ); 兰州交通大学青年科学基金项目 (2153) 收稿日期 :218-? 修回日期 :218-? 第一作者简介 : 刘尊稳, 男,1985 年生, 博士研究生, 兰州交通大学, 讲师 : 研究方向桥梁抗震通讯作者简介 : 王平, 男,1977 年生, 博士研究生, 中国地震局兰州地震研究所, 副研究员 : 研究方向地震工程与土力学 liuzunwen@mail.lzjtu.cn

4 1 引言西部山区由于地形限制, 在面临沟谷时需要设计非规则的桥梁, 刚构桥成为具有代表性的桥型然而一些地段不但跨越沟谷还需跨越既有线, 需要多跨才能满足, 多跨连续刚构桥存在温度次内力较大的问题, 故刚构 - 连续梁桥得以发展刚构 - 连续梁桥结构特殊, 是由刚构墩和活动墩组合而成目前关于刚构 - 连续梁桥的研究主要在抗震 [1] 设计动力性能分析等方面刘俊对规则的刚构 - 连续梁桥进行了多遇设计和罕遇地震下的抗震验算 [2] 宋福春对 V 型撑刚构 - 连续梁进行稳定和动力性能研究, 发现这种结构受力合理, 发挥了拱结构和连续刚 [3] 构的优点魏鑫等以羊记沟左线大桥为工程背景, 比较分析了反应谱与时程分析结果, 得到对于刚构 - [4] 连续梁桥, 单墩刚构时不宜采用反应谱分析等结论李小珍等探讨了行波效应对刚构 - 连续组合梁桥结构的影响规律, 得到对于主跨大于或等于 8m 的刚构 - 连续组合梁桥, 应该考虑行波效应的影响等结论揭 [5] 志羽等研究了大跨高墩小半径刚构 - 连续组合曲线梁桥的地震响应, 结果表明增大桥墩刚度采用墩梁固结方式能够提高刚构 - 连续组合曲线梁桥的整体性, 有利于桥梁的抗震, 同时该作者还对曲率半径, 桥墩墩高, 墩梁约束方式对动力特性及地震反应的影响进行了研究 [6] [7] 周勇军等对双薄壁墩连续刚构桥的基频计算公式进行理论公式的推导, 得到系梁对基频的影响规律其他大多学者则主要针对刚构桥的抗震性能 [8~11] [12~14] 及减隔震方面展开研究可以看出, 既有的研究指导非规则刚构 - 连续梁桥的减隔震设计有一定的局限性鉴于此, 本文以某高烈度区刚构 - 连续梁桥为研究对象, 考虑分别在桥台和桥墩处设置减隔震装置进行减震, 并结合刚构桥地震反应特点, 进行考虑桥台损伤的减震效果分析, 提出刚构 - 连续梁桥减震设计的建议 2 工程概况及有限元分析模型 2.1 工程概况西部山区某铁路桥需跨越河沟及高速公路, 上部结构设计采用 ( )m 刚构 - 连续梁桥的形式, 截面为单箱单室, 中支点梁高为 9.3m, 中跨及边支点梁高 4.8m, 桥墩均采用矩形空心墩, 其中 1# 2# 墩为活动墩,3# 4# 墩为刚构墩, 桥墩高分别为 31m 47m 12m 96m, 主梁及刚构墩采用 C55 混凝土, 活动墩采用 C4 混凝土支座均采用 TQGZ 球型钢支座, 二期横载为 188kN/m 2.2 有限元分析模型采用 Midas/civil 建立全桥有限元模型, 主梁桥墩均采用空间梁单元模拟, 桩 - 土作用采用墩底等效弹 [15] 簧模拟, 弹簧刚度采用 m 法进行计算, 普通支座采用主从约束模拟, 不考虑支座摩擦作用, 全桥布置如图 1 所示左桥台 (left abutment) 右桥台 (right abutment) 1# 2# 3# 4# 图 1 全桥布置图 ( 单位 :m) Fig.1 Full-bridge layout(units:m)

5 加速度 (acceleration)/g 加速度 (acceleration)/g 2.3 地震波的选取桥址位于 8 度区, 工程场地类别为 Ⅱ 类, 场地特征周期为.4s, 设计地震下加速度峰值为.2g, 罕遇地震下加速度峰值为.38g 依据场地条件生成三条人工波, 图 2 为三条人工波的加速度谱曲线, 图 3 为其中一条加速度地震波, 地震波在地震反应分析中均按照顺桥向输入设计谱 (design spectrum) 人工波 1(artificial wave 1) 人工波 2(artificial wave 2) 人工波 3(artificial wave 3) 周期 (period)/s 图 2 加速度谱曲线 Fig.2 Acceleration spectrum curve 时间 (time)/s 图 3 加速度时程曲线 Fig.3 Acceleration time history curve 3 减震方案及减震效果分析 3.1 减震方案刚构 - 连续梁桥的减震方案可分为两大类第一种为桥台处设置减震装置, 第二种为在桥墩上设置减震装置因此, 本文分别按照桥台上和桥墩上设置减震装置进行刚构 - 连续梁桥的减震方案研究对于铁路桥, 常见的减隔震装置有速度锁定装置黏滞阻尼器及摩擦摆支座等对于本文研究桥梁, 墩高相差比较大, 速度锁定装置的使用受到限制, 故主要针对黏滞阻尼器和摩擦摆支座在刚构 - 连续梁桥中的使用进行研究, 主要分析工况如表 1 所示工况 (condition) 表 1 分析工况 Tab.1 Analysis Condition 工况 1 (condition 1) 工况 2(condition 2) 工况 3(condition 3) 工况 4(condition 4) 工况 5(condition 5) 桥台 (abutment) 活动支座 (movable 活动支座 + 黏滞阻尼器 (movable bearing+viscous Damper) 摩擦摆支座 (friction pendulum 活动支座 (movable 活动支座 (movable 桥墩 (pier) 活动支座 (movable 活动支座 (movable 活动支座 (movable 活动支座 + 黏滞阻尼器 (movable bearing+viscous Damper) 摩擦摆支座 (friction pendulum 3.2 减隔震装置的力学模型 [16] 黏滞阻尼器的力学模型粘滞阻尼器的基本构造是在一个专用缸体之内注入以有机硅为基础的粘性液体传力介质, 然后通过油缸与活塞间的间隙组成的一种连接装置, 可用 Maxwell 模型模拟基本构造如图 4 所示, 粘滞阻尼器的阻尼力取决于速度, 其力学计算模型可表达为 :

6 F Cv (1) 其中 :F 为阻尼力 ;C 为阻尼系数 ;v 为速度 ; 为阻尼指数关节轴承 (joint 缸体 (cylinder) 活塞 (piston) 介质 (medium) 关节轴承 (joint 图 4 黏滞阻尼器构造图 Fig.4 Structural diagram of viscous dampers [17] 摩擦摆支座的力学模型摩擦摆支座基于单摆的工作原理, 在小震下可依靠上部自重产生的静摩擦力保持结构稳定, 大震下通过剪断销钉, 摆动隔震, 摩擦摆支座的力学模型如图 5 所示, 图中,D y 为滑动位移,K i 为初始刚度,u 为摩擦系数,W 为上部结构的质量,K fps 为屈后刚度, 单向活动摩擦摆支座的结构图如图 6 所示 F uw K fps K i D y d 图 5 摩擦摆支座力学模型 Fig.5 Mechanical model of FPB 3.3 桥台处设置减隔震装置的减震效果说明 (explanation):1- 上座板 (upper plate);2- 平面滑板 (slide plate);3- 球冠衬板 (lining plate);4- 防尘圈 (dust ring,);5- 球面滑板 (spherical slide plate);6- 减震球摆 (ball pendulum);7- 隔震挡块 (isolation block);8- 剪力销 (shear Pin);9- 减震滑板 (sliding plate);1- 减震底座 (shock base);11- 螺栓套筒 (bolt sleeve);12-sf-1 板 (plate of SF-1) 桥台处设置减隔震装置对应工况 2 和工况 3 图 6 活动摩擦摆支座结构示意图 Fig.6 Structure diagram of movable FPS 工况 2 中, 对于影响黏滞阻尼器作用效果的两大参数阻尼系数和阻尼指数分别取如下值进行计算 : 阻尼系数取 C=1kN (s/m) α,3 kn (s/m) α,4 kn (s/m) α,5 kn (s/m) α, 阻尼指数取 α=.1,.3,.5, 对影响参数进行两两组合, 对比分析得到取阻尼系数 4 kn (s/m) α 和阻尼指数.3 时, 减震效果最

7 弯矩 (moment)/kn m 剪力 (shear force)/kn 弯矩 (moment)/kn m 剪力 (shear force)/kn 弯矩 (moment)/kn m 剪力 (shear force)/kn 佳工况 3 中, 对于影响摩擦摆作用效果的两大参数摆半径和摩擦系数分别取如下值进行计算 : 摩擦摆半径取 2m~4m, 摩擦系数取 2~6, 同样对影响参数进行两两组合, 对比分析得到摩擦摆半径取 4m, 摩擦系数取 3 时, 减震效果最佳工况 1~3 的计算结果图 7 所示 4.x x1 6 3.x x1 6 2.x x1 6 1.x1 6 波 1(wave 1) 波 2(wave 2) 波 3(wave 3) 7x1 4 6x1 4 5x1 4 4x1 4 3x1 4 2x1 4 波 1(wave 1) 波 2(wave 2) 波 3(wave 3) 5.x1 5 1x1 4 (a) 工况 1 2.5x1 6 2.x1 6 波 1(wave 1) 波 2(wave 2) 波 3(wave 3) 6x1 4 5x1 4 波 1(wave 1) 波 2(wave 2) 波 3(wave 3) 1.5x1 6 1.x1 6 4x1 4 3x1 4 2x1 4 5.x1 5 1x1 4 (b) 工况 2 3.5x1 6 3.x x1 6 2.x x1 6 波 1(wave 1) 波 2(wave 2) 波 3(wave 3) 6x1 4 5x1 4 4x1 4 3x1 4 波 1(wave 1) 波 2(wave 2) 波 3(wave 3) 1.x1 6 2x1 4 5.x1 5 1x1 4 (c) 工况 3 图 7 不同工况计算结果 Fig.7 Calculation results of different working conditions 由图 7 计算结果可知 : (1) 工况 1 中,1# 2# 墩地震内力较小, 墩高越高地震内力越大,2# 墩地震内力大于 1# 墩地震内力主要集中在 3# 4# 刚构墩, 由于刚构墩高相近, 因此地震内力也相近 (2) 工况 2 中, 桥台布置黏滞阻尼器, 刚构墩的减震效果明显,3# 刚构墩墩底弯矩为减震前的.59 倍, 墩底剪力为减震前的.81 倍,4# 墩的墩底弯矩为减震前的.57 倍, 墩底剪力为减震前的.78 倍 ; 可

8 弯矩 (moment)/kn m 剪力 (shear force)/kn 弯矩 (moment)/kn m 剪力 (shear force)/kn 以得到, 墩底弯矩的减震效果优于墩底剪力, 而 1# 2# 活动墩墩底内力基本无变化 (3) 工况 3 中, 桥台处布置摩擦摆支座, 对于刚构墩地震内力虽有减小, 但效果很不明显, 对于活动墩基本没有起到减震的作用, 这是因为桥台在使用摩擦摆支座之后, 相比未进行减隔震的桥梁, 纵向位移依旧很大, 刚构墩的内力无法释放从在桥台处设置减隔震装置可以看出, 刚构墩减震必须限制位移, 单纯的支座减隔震无法达到减弱刚构墩内力的目的, 黏滞阻尼器的使用, 在一定程度上限制了梁体及刚构墩的整体位移, 对于控制刚构墩的内力起到了很好的作用 3.4 桥墩处设置减隔震装置的减震效果桥墩处设置减隔震装置对应工况 4 和工况 5, 图 8 给出了工况 4 和工况 5 的计算结果从图 8 可以得出 : (1) 工况 4 在活动桥墩上设置黏滞阻尼器, 对于刚构墩的墩底弯矩减震效果优于工况 2 在桥台上布置黏滞阻尼器,3# 墩墩底弯矩为减震前的.48 倍,4# 墩墩底弯矩为减震前的.46 倍, 墩底剪力与工况 2 接近 (2) 工况 4 虽然在刚构墩墩底内力的减震上取得显著的效果, 但是活动墩的墩底内力增加明显, 其中 1# 墩墩底弯矩为减震前的 2.32 倍,2# 墩墩底弯矩为减震前的 1.28 倍, 放大效应显著 (3) 工况 5 在活动桥墩上设置摩擦摆支座, 对刚构墩起到一定的减震作用, 墩底弯矩约为减震前的.8 倍左右, 但是墩底剪力为减震前的.9 倍, 效果不显著, 主要是由于桥墩相对较高, 摩擦摆支座无法发挥耗能潜能, 而活动墩由于摩擦摆支座的使用, 墩底内力增大因此, 对于刚构 - 连续梁桥, 在桥墩处安装减隔震装置, 无法同时减小各墩 ( 或减小刚构墩 ) 的地震内力, 总会产生顾此失彼的状况, 相比桥台处设置减隔震装置, 效果不佳 2.x x1 6 波 1(wave1) 波 2(wave2) 波 3(wave3) 5x1 4 4x1 4 波 1(wave1) 波 2(wave2) 波 3(wave3) 3x1 4 1.x1 6 2x1 4 5.x1 5 1x1 4 工况 4 3.5x1 6 3.x x1 6 波 1(wave1) 波 2(wave2) 波 3(wave3) 6x1 4 5x1 4 波 1(wave1) 波 2(wave2) 波 3(wave3) 2.x1 6 4x x1 6 3x1 4 1.x1 6 2x1 4 5.x1 5 1x1 4 工况 5 图 8 不同工况计算结果 Fig.8 Calculation results of different working conditions

9 弯矩 (moment)/kn m 弯矩 (moment)/kn m 3.5 桥台的状态对减隔震装置的减震效果影响从以上分析得到, 对于刚构 - 连续梁桥, 在桥台处设置减隔震装置可以取得较好的减震效果, 工况 2 中, 在桥台处安装黏滞阻尼器可以保证活动墩内力不增加的情况下, 显著减小刚构墩的内力, 是较好的减震方案在桥台处安装黏滞阻尼器, 虽增强了梁体和桥台之间的联系, 但是, 对于高墩大跨刚构 - 连续梁桥来说 ( 本文为 5 跨 ), 桥墩刚度较柔且上部结构质量较大, 梁体位移也较大, 这就无法避免梁体与桥台之间的碰撞, 梁体与桥台的碰撞可分为单侧碰撞和双侧碰撞, 碰撞后的桥台一般会出现完全损坏局部损坏及未损坏三种状态 [18] 本文研究的刚构 - 连续梁桥位于山区, 地质条件可避免完全损坏, 因此对于桥台的损坏仅考虑局部损坏和未损坏两种情况对于局部损坏, 桥台的纵向弹性刚度 k 取 kn/m( 严重损坏 ) kn/m( 中等损坏 ) 和 kn/m( 轻微损坏 ) 考虑, 未损坏对应桥台纵向约束按完全固结考虑图 9 给出了考虑桥台局部损坏的墩底内力, 可以看出 : 双侧桥台均损伤对于刚构墩的减震效果影响较为明显, 当桥台的纵向约束刚度 k 取 kn/m 时, 刚构墩地震内力放大了 3 倍之多, 而活动墩的地震内力所受影响较小, 即桥台的线刚度至少达到 1 6 kn/m 数量级才可确保桥台减震设计的可靠性 ; 当仅发生右侧桥台损伤时, 刚构墩的减震效果同样受到影响, 但小于双侧桥台均损伤的情形,k 取 kn/m 时, 比双侧桥台均损伤降低 3% 左右, 右侧桥台损伤直接影响到黏滞阻尼器发挥作用, 使得右侧边界完全成为弱连接, 故对刚构墩地震内力影响较大 ; 仅发生左侧桥台损伤对于刚构墩和活动墩的影响较小, 主要原因是由于左侧桥台远离刚构墩, 临近活动墩, 地震作用下活动墩传递地震力有限, 即桥台的线刚度达到 1 5 kn/m 数量级可保证桥台减震设计的可靠性 8x1 6 7x1 6 6x1 6 5x1 6 4x1 6 3x1 6 2x1 6 1x1 6 未损坏 (undamaged) k=1e5 k=1e6 k=1e7 6x1 6 5x1 6 4x1 6 未损坏 (undamaged) k=1e5 k=1e6 k=1e7 3x1 6 2x1 6 1x1 6

10 弯矩 (moment)/kn m (a) 双侧损伤 (b) 右侧损伤 2.x x1 6 未损坏 (undamaged) k=1e5 k=1e6 k=1e7 1.x1 6 5.x1 5 (c) 左侧损伤图 9 考虑桥台损伤的地震反应 Fig.9 Calculation results of different working conditions 4 结论通过对山区铁路高墩大跨刚构 - 连续梁桥进行减震研究, 得到如下结论 : 1) 由于高墩大跨刚构 - 连续梁桥结构的特殊性, 在减震设计时可以考虑在桥台处或桥墩处设置减震装置 2) 相比在桥墩处设置减震装置, 在桥台处设置的减震效果更佳, 尤其设置黏滞阻尼器可以保证不增加活动墩内力的情况下提高刚构墩的抗震能力无论是桥墩还是桥台处, 设置黏滞阻尼器的减震效果比摩擦摆支座更理想 3) 地震作用下, 考虑梁体和桥台碰撞造成的桥台损伤对结构的减震效果有一定的影响, 双侧桥台损伤和近刚构墩桥台损伤对刚构墩减震效果影响显著近活动墩侧桥台破坏则对其影响较小, 这是由于桥台损伤形成近刚构墩边侧弱连接, 粘滞阻尼器耗能无法得到有效发挥 4) 在刚构 - 连续梁桥的桥台减震设计中重视刚构侧桥台的设计, 还应避免双侧桥台损伤, 确保近刚构墩侧桥台的线刚度达到 1 6 kn/m, 远离刚构墩侧桥台线刚度达到 1 5 kn/m, 实现桥台减震设计的可靠性参考文献 (References) [1] 刘俊. 长联多跨刚构 - 连续梁桥的抗震设计 [J]. 铁道标准设计,212(7):74-78,81(LIU Jun.Seismic Design for Long Multi-Span Rigid Frame Continuous-Girder Bridge[J].Railway Standard Design,212(7):74-78,81(in Chinese)). [2] 宋福春, 苏洪仁. 单肋拱加劲 V 型撑刚构 - 连续梁桥稳定和动力性能研究 [J]. 沈阳建筑大学学报 ( 自然科学版 ),21,26(5): (SONG Fuchun, SU Hongren.Research on the Stabilityand Dynamic Characteristics of V-Bracing Rigid Frame Continuous Beam Bridge with Single Stiffener Arch[J].Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science),21,26(5): (in Chinese)). [3] 魏鑫, 卫星, 李明清. 高烈度区大跨刚构 - 连续梁桥地震响应分析 [J]. 地震工程学报,217,39(6):15-11.(Wei Xin,Wei Xing,Li Mingqing.Seismic Response Analysis of Long-span Rigid Frame-continuous Girder Bridges in High Intensity[J].China Earthquake Engineering Journal,217,39(6):15-11(in Chinese)). [4] 李小珍, 雷虎军. 基于多点激励的刚构 - 连续组合梁桥行波效应分析 [J]. 桥梁建设,212,42(6):33-38.(LI Xiao-zhen,LEI Hu-jun.Analysis of Traveling Wave Effect of Hybrid Bridge of Rigid-Frame and Continuous Girder Based on Multi-Support

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Fig. 1 Frame calculation model 1 mm Table 1 Joints displacement mm

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