第 5 期曹飒飒, 等 : 一种墩底隔震高架桥梁结构体系年日本的阪神 - 淡路大地震后, 重建的 Benten 高架桥采用了墩底隔震设计方法, 钢梁和框架式双柱墩固结, 极大地提高了整体性和抗震性能 [4] 希腊的 Rion Antirion 跨海斜拉桥也采用墩底隔震体系, 这

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颉诵十管
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1 第 37 卷第 5 期 2017 年 10 月地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.37No.5 Oct.2017 文章编号 : (2017) DOI: /j.eeev caos.019 一种墩底隔震高架桥梁结构体系曹飒飒 1, 孙卓 1, 闫聚考 2, 叶锡钧 1 1, 关青锋 (1. 广州大学土木工程学院, 广东广州 ;2. 石家庄铁道大学河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室, 河北石家庄 ) 摘要 : 基于可快速修复的理念, 提出一种墩底隔震的城市高架桥梁结构体系探讨了新型结构体系的设计原则施工难点和独特的抗震构造措施以某高架桥为实例, 将新型体系和传统的墩顶隔震体系进行对比研究结果表明 : 与墩顶隔震体系相比, 新型体系的支座位移和桥墩最大弯矩基本相同, 但是对桩基的抗震要求有很大程度的降低 ; 新型体系的整体性更好关键词 : 墩底隔震 ; 可恢复 ; 高架桥 ; 抗震设计原则中图分类号 :U448.28;P315.9 文献标志码 :A Studyofbase isolatedviaductsystem CAOSasa 1,SUNZhuo 1,YANJukao 2,YEXijun 1,GUANQingfeng 1 (1.SchoolofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China;2.HebeiProvincialKeyLabofStructural HealthMonitoringandControl,ShijiazhuangTiedaoUniversity,Shijiazhuang050043,China) Abstract:Basedonresilientdesignmethod,abase isolatedviaductsystemwasproposed.designprinciples,con structiondificultiesandspecialaseismicmeasureswerediscused.withanexampleofaviaduct,efectsofthe proposedsystemandtraditionalisolatedviaductsystem werecompared.itturnsoutthatbearingdeformationsand themaximummomentofpiersoftheproposedsystemarealmostthesameasthetraditionalisolatedsystems.how ever,demandsofpilesofthenewsystemareverylowcomparedwithtraditionalisolatedviaductsystems.moreo ver,ithasgoodintegrity. Keywords:base isolation;resilience;viaduct;aseismicdesignprinciples 引言近 10 年来, 世界各地发生了多次大地震, 桥梁结构破坏严重并且短期内不易修复, 极大影响了抗震救灾力度, 间接造成了更多的人员伤亡和更大的经济损失这引起了国内外工程界对桥梁抗震设计方法的重新思考, 抗震设计理念从基于性能向可恢复的抗震设计方法转变 [1] 除新型材料和可恢复功能结构外, 新型结构体系也是可恢复抗震设计研究的一个重要方向 [2] 在新抗震设计思想的指导下, 桥梁结构体系也有待发展与延性抗震的结构体系相比, 隔震体系表现出更优越的抗震性能和震后可快速修复性能隔震支座隔离了从基础传递至上部结构的力, 延长了结构的基本周期, 使得结构体系的地震动响应大大降低房屋建筑结构体系一般在基础设置隔震支座桥梁结构体系一般在桥墩和上部结构之间设置减隔震支座 [3] 这主要是由于桥梁结构传统的施工工艺决定的如果将桥梁结构体系的隔震支座设置于承台和桥墩之间, 承台可以提供维护平台, 震后对隔震支座进行维修和更换将更加方便收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 广州大学科技创新培育基金项目 (CSS2-2608) Supportedby:ScienceandTechnologyInnovationFundofGuangzhouUniversity(CSS2-2608) 作者简介 : 曹飒飒 (1982-), 男, 讲师, 博士, 主要从事桥梁抗震研究.E mail: @qq.com

2 第 5 期曹飒飒, 等 : 一种墩底隔震高架桥梁结构体系年日本的阪神 - 淡路大地震后, 重建的 Benten 高架桥采用了墩底隔震设计方法, 钢梁和框架式双柱墩固结, 极大地提高了整体性和抗震性能 [4] 希腊的 Rion Antirion 跨海斜拉桥也采用墩底隔震体系, 这是在大型桥梁结构体系中的应用 [5] 李曙光以某简支变连续的桥梁为例, 对比分析了分别在墩顶和墩底设置隔震支座的效果, 指出墩底隔震体系的总体减震效果要优于墩顶隔震体系, 在条件许可时, 应优先考虑墩底隔震体系 [6] [7] 由于施工难度大, 他并未对这种新型的结构体系进行更加深入的研究燕斌等以某跨径为 m 的大跨连续刚构桥为例, 开发了在承台内设隔震支座的墩底隔震桥梁体系, 使得桥梁的上部 [8] 结构和下部结构的地震动需求显著降低为了解决高墩桥梁的抗震问题, 田圣泽等以墩高为 30m 的连续梁桥为研究对象, 在墩底墩中部墩顶分别设置隔震支座, 对其抗震效果进行了研究, 验证了中层减隔震体系有效改善了高烈度区高墩的抗震效果他们所研究的对象为独柱墩, 这类桥梁结构体系在横桥向振动时对主梁的抗扭刚度要求较高, 更适用于横桥向呈框架式结构的桥墩鉴于可恢复抗震设计理念墩底设置隔震支座的优点, 本文提出一种墩底隔震的新型桥梁结体系该墩底隔震桥梁结构体系具有如下优点 :(1) 墩梁固结, 体系整体性能更好, 非常适用于城市中部分采用独柱墩部分采用多柱墩的长联多跨高架桥 ;(2) 不易发生落梁震害 ;(3) 对弯桥的适应能力更强研究表明, 即便在静力作用下, 弯桥弯扭效应显著, 易发生梁体偏移 [9] 采用墩梁固结支座设置在墩底后, 墩梁作为一个刚体发生变形, 梁体偏移效应将得到缓解 ;(4) 支座设置于承台, 对其进行修复时人员更容易到达, 维修施工平台更大, 可以为千斤顶的安放提供足够的空间 ;(5) 由于在墩底设置隔震支座, 纵桥向激励时, 桥墩传递到承台的弯矩将大大减小, 进而对桩基的抗震需求将大大降低其中, 第 (5) 点的优势将在实例中予以验证 1 墩底隔震高架桥梁结构体系 1.1 体系设计原则与传统隔震桥梁结构体系不同, 将隔震支座设置于承台和桥墩之间时, 将面临一系列问题从而, 这类体系的设计需满足一系列的原则墩梁固结原则常规连续梁桥在梁体和桥墩之间设置支座, 如果在墩底也设置隔震支座, 横桥向将成为机动可变体系因此, 墩底隔震桥梁结构体系要求的第一原则为墩梁固结也就是说, 承台之上的结构体系要求呈现连续刚构桥的形式横桥向桥墩设置为框架结构原则墩底设置成隔震支座时, 独柱墩连续梁桥在横桥向激励下将会在梁体中产生很大的扭矩, 甚至成为机动体系因此, 必须将桥墩设置为双柱或多柱式, 使其在横桥向呈现框架的形式一联梁体中间墩和过渡墩支座区别设置原则如果一联梁体设置过长, 其长度随温度变化时, 对伸缩缝要求较高也就是说, 一联梁体必须设置中间墩和过渡墩中间墩可以在墩底设置隔震支座过渡墩上为了设置伸缩缝, 必须在墩顶和梁体间设置支座隔震支座设置原则与设置于墩顶时相比较, 隔震支座设置于墩底时, 还将承受桥墩的自重, 竖向承载力要求提高在温度等正常使用荷载作用下, 支座的水平变形不宜过大, 否则将影响其竖向承载力抗震挡块设置隔震支座设置于墩顶时, 抗震挡块一般设置于盖梁两端而隔震支座设置于墩底时, 中间墩的抗震挡块需要设置于承台由于承台体积一般较大, 这为抗震挡块的设置提供了空间抗震挡块可采用新型设置方式 1.2 结构体系图 1 墩底隔震桥梁结构体系 Fig.1 Base isolatedviaductsystem

164 地震工程与工程振动第 37 卷基于上述分析, 本文提出如下图所示的墩底隔震桥梁结构体系该体系的中间墩墩梁固结墩与承台间设隔震支座 ; 过渡墩或桥台处支座设置方式同墩顶隔震体系横桥向设置为双柱或多柱式, 呈现框架受力特征可以采用多种抗震限位装置 : 拉索支座, 承台挡块, 盖梁挡块 [10] 1.

15 倍支座竖向荷载大小的水平抗力, 以保证桥墩的定位和稳定性 [4] 在目前的施工技术条件下, 保持桥墩临时稳定完成主梁的施工完全可以实施具体做法可以参考连续梁桥的施工方法, 采用预埋钢筋和硫磺砂浆组成临时固结装置作为建筑工业化的一种趋势, 预制装配式混凝土结构发展势头强劲 [11] 墩底隔震桥梁体系的施工方法完全可以采用预制装配方法, 将桥墩主梁分块进行预制, 再采用预应力进行连接

3 164 地震工程与工程振动第 37 卷基于上述分析, 本文提出如下图所示的墩底隔震桥梁结构体系该体系的中间墩墩梁固结墩与承台间设隔震支座 ; 过渡墩或桥台处支座设置方式同墩顶隔震体系横桥向设置为双柱或多柱式, 呈现框架受力特征可以采用多种抗震限位装置 : 拉索支座, 承台挡块, 盖梁挡块 [10] 1.3 施工难点墩底隔震体系要求墩与承台间设置支座墩梁固结, 这与桥梁先桥墩后主梁的施工顺序相矛盾因此, 该体系的建造过程必须解决承台与桥墩的临时固结问题根据 Yoshikawa M 等人的建议, 桥墩建造过程中需要施加临时稳定器 ( 图 2), 承担 0.15 倍支座竖向荷载大小的水平抗力, 以保证桥墩的定位和稳定性 [4] 在目前的施工技术条件下, 保持桥墩临时稳定完成主梁的施工完全可以实施具体做法可以参考连续梁桥的施工方法, 采用预埋钢筋和硫磺砂浆组成临时固结装置作为建筑工业化的一种趋势, 预制装配式混凝土结构发展势头强劲 [11] 墩底隔震桥梁体系的施工方法完全可以采用预制装配方法, 将桥墩主梁分块进行预制, 再采用预应力进行连接 1.4 抗震挡块墩底设置支座, 限位装置的设置是一个新问题可以通图 2 桥墩临时支撑过以下几种方法进行设置 : Fig.2 Temporarysupportingsystemofpiers (1) 墩底设拉索减震支座拉索减震支座具有限位的功能通过自由行程的设置, 满足桥梁在温度作用下对桥墩位移的要求拉索张紧后又可以限制桥墩的位移 (2) 墩底设置环形挡块 ( 图 3) 或双向挡块 ( 图 4) 图 3 环形挡块示意图 Fig.3 Annularstoppers 图 4 双向挡块示意图 Fig.4 Bi directionalstoppers 挡块到桥墩的距离或拉索支座的自由行程设置应考虑梁体的伸缩变形, 主要考虑温度变化引起的伸缩量由于温度变化产生的钢筋混凝土梁的伸缩量 Δl 计算公式为 [12] : Δl=α 0 lδt (1) 式中,α c 为混凝土材料线膨胀系数, 一般取 ;l 为计算伸缩量所取的一联梁体长度 ;Δt 为梁体温差由式 (1) 可以看出, 挡块设置间隙由梁体长度控制当梁体长 1000m 温差 20 C 时, 设置间隙为 10cm 由此可以看出, 挡块设置的间隙不影响一联梁体的设置长度

4 第 5 期曹飒飒, 等 : 一种墩底隔震高架桥梁结构体系算例分析 2.1 某高桩承台体系本文选取某 9 31m 连续梁桥为工程实例 ( 图 5) 主梁宽 25.5m, 高 2m, 单箱多室常截面, 如图 6 所示过渡墩尺寸 1.6m 1.7m, 中间墩尺寸 1.8m 2m 采用摩擦摆减隔震支座墩顶隔震系统和墩底隔震系统所采用的各支座参数如表 1 所示支座屈服位移均取 0.002m, 屈后屈前比取 0.01 表 1 各种减隔震支座参数墩顶隔震体系墩底隔震体系位置恒载反力屈前刚度 (kn/m) 屈服力恒载反力屈前刚度 (kn/m) 屈服力过渡墩中间墩图 5 某连续梁桥 Fig.5 Acontinuousbridge 图 6 主梁截面 Fig.6 Sectionofgirder 2.2 挡块设置根据式 (1), 假定温差为 20 C, 可计算出 P49 和 P58 处所应设置的伸长量为 2.79cm 这一量值比较小, 说明挡块与桥墩之间的间隙设置对承台的大小无特殊要求挡块设置的间隙或拉索支座的自由行程, 一般根据支座位移的计算值取用 ( 可取计算值或比其略大 ), 基本可以满足梁体温度变形对桥墩位移的要求 2.3 建立模型采用 Sap2000 有限元软件建立两种隔震体系的模型主梁横梁和桥墩用弹性梁单元模拟 ; 桩 - 土的相互作用采用等效的六弹簧单元模拟 ; 所有刚性连接均使用刚臂模拟图 7 反应谱 Fig.7 Responsespectrum 不考虑 P Delta 效应支座均采用三维支座单元进行模拟, 支座滑动方向采用双线性的恢复力 - 位移关系墩顶隔震体系和墩底隔震体系模型的第 1 阶自振周期为分别为 1.174s 和 1.13s 参考文献[13] 的做法, 指定体系阻尼比地震波根据该桥的安评报告, 选取 3 条 E2 水准的地震波作为地震动输入每条地震波各自的反应谱和 E2 水准设计反应谱对比如图 7 所示可以看出, 所选地震波可以较好的反应地震动水平

5 １６６地震工程与工程振动第３７卷３计算结果及分析根据所选３条地震波分别对２种隔震桥梁体系进行纵桥向和横桥向的非线性时程分析各参数的计算结果取３条波分析结果的最大值计算结果及其分析如下３１最大支座位移两种隔震体系在纵桥向和横桥向的最大支座位移如图８所示纵桥向墩底隔震体系的支座位移普遍０左右这主要是由于两种隔震体系在纵桥向的变形机制不同墩底隔震体系比墩顶隔震体系略小１的墩梁刚接在纵桥向呈框架结构体系其纵桥向变形由桥墩和支座共同完成而墩顶隔震体系墩梁分离在纵桥向呈连续梁结构体系其纵桥向变形主要由支座完成这一原因使得墩底隔震体系的纵桥向最大位移比墩顶隔震体系略小横桥向过渡墩处墩底隔震体系的最大支座位移比墩顶隔震体系略大Ｐ４９墩大１２９而中间墩处墩底隔震体系与墩顶隔震非常接近最大为Ｐ５５墩差３４整体来说墩底隔震体系与墩顶隔震体系的支座位移比较接近并无明显增大图８支座最大位移Ｆｇ８Ｍａｘｍｕｍｄｅｆｏｒｍａｔｏｎｓｏｆｂｅａｒｎｇｓ３２桥墩最大弯矩两种隔震体系在纵桥向和横桥向的桥墩最大弯矩如图９所示纵桥向墩底隔震体系过渡墩处的最大弯矩与墩顶隔震体系基本相同而墩底隔震体系中间墩处的最大弯矩均比墩顶隔震体系小一般小１０左右这是因为墩底隔震体系的墩梁固结二者基本作刚体运动在纵桥向激励时墩底隔震体系的桥墩高阶振型贡献比墩顶隔震体系的高阶振型贡献小横桥向墩底隔震体系所有墩处的最大弯矩与墩顶隔震体系图９桥墩最大弯矩Ｆｇ９Ｍａｘｍｕｍｍｏｍｅｎｔｓｏｆｐｅｒｓ

6 第 5 期曹飒飒, 等 : 一种墩底隔震高架桥梁结构体系 167 基本相同, 无太大差别这是因为在横桥向激励时, 虽然墩底隔震体系的桥墩高阶振型贡献仍然比墩顶隔震体系的高阶振型贡献小, 使得墩底隔震体系每一个墩处的最大弯矩小 10% 左右 ; 但是, 横桥向桥墩为框架结构, 每一个桥墩的弯矩不仅与单个墩柱有关, 还与墩柱的轴力有关, 两个墩柱的轴力力偶抵抗了一部分弯矩, 最终使得两种隔震体系桥墩的单个墩柱最大弯矩基本一致需进一步指出, 由于墩底隔震体系采用墩梁固结的形式, 这将导致部分地震弯矩转移至主梁, 进而对墩梁连接节点的构造提出新的要求墩梁固结节点的设置是墩底隔震高架桥面临的新问题, 设计时应根据节点受力, 进行专门的配筋采用 UCFyber 软件, 计算出过渡墩和中间墩的纵向钢筋首次屈服对应的弯矩分别为 5514kN m 和 19650kN m 由图 9 知, 过渡墩和中间墩的最大弯矩分别为 4000kN m 和 6000kN m, 均小于钢筋首次屈服时的弯矩这说明两种隔震体系均成功实现了隔震效果, 使得桥墩处于弹性状态, 保证了桥墩的安全 3.3 承台底最大弯矩承台底弯矩是对桩基进行抗震验算的重要指标, 它直接反应了桩基的地震动需求两种隔震体系在 E2 水准地震动输入下的承台底弯矩如图 10 所示纵桥向, 墩底隔震体系显著减小了中间墩传递给承台底的弯矩, 使得弯矩降低至墩顶隔震体系承台底弯矩的 30% 以下在此情况下, 桩基纵桥向的地震动需求也将会有显著的降低横桥向, 墩底隔震体系也减小了中间墩传递给承台底的弯矩, 相对于墩顶隔震体系承台底弯矩减小 20% 左右这一现象是由于支座位置不同引起的屈服后, 支座处的剪力为其屈服力弯矩为 0 墩顶隔震体系, 承台底弯矩为支座屈服力与桥墩高度的乘积 ; 而墩底隔震体系, 承台底弯矩仅为支座屈服力与承台高度的乘积图 10 承台低最大弯矩 Fig.10 Maximummomentsofpilefoundations 这一现象验证了本文第 1 部分预测的正确性, 墩底隔震体系中桩基的地震动需求将比墩顶隔震体系显著降低 4 结论基于可恢复的抗震设计理念, 针对城市高架桥, 提出一种墩底隔震的新型桥梁结构体系探讨了新型体系的设计原则结合某城市高架桥, 进行了数值分析结论如下 : (1) 墩底隔震桥梁结构体系具有众多优点 : 整体性能更好, 不易发生落梁震害, 对城市高架桥的适应能力强, 支座更易于到达 (2) 目前, 墩底隔震桥梁结体系由于施工技术的限制, 国内外已建项目很少随着城市高架桥快速施工技术水平和预制装配技术水平的发展, 这类体系的优势将越来越凸显 (3) 与墩顶隔震桥梁结构体系相比较, 墩底隔震体系的支座位移略有增大, 但并不明显 ; 纵桥向, 墩底隔震体系的桥墩最大弯矩降低 10% 左右 ; 墩底隔震体系对桩基的抗震要求大大降低, 纵桥向降低至 30% 以下,

7 168 地震工程与工程振动第 37 卷横桥向降低至 80% 左右 (4) 本文提出的墩底隔震体系适用于承台未被水淹没的城市高架桥梁, 对于承台被水淹没的桥梁结构, 不推荐使用该体系 (5) 墩底隔震体系在正常使用条件下的性能有待进一步的研究参考文献 : [1] CenterHEER.ReportoftheSeventhJointPlanningMeetingofNEES/E-DefenseColaborativeResearchonEarthquakeEngineering[R]. Berkeley,2009. [2] 陈云, 吕西林, 蒋欢军. 带可更换连梁的超高层结构抗震性能研究 [J]. 振动与冲击,2015,34(9):1-8. CHENYun,LVXilin,JIANGHuanjun.Seismicperformanceofasupertalstructurewithreplaceablecouplingbeams[J].JournalofVibration andshock,2015,34(9):1-8.(inchinese) [3] 叶爱君, 管仲国. 桥梁抗震 [M].2 版. 北京 : 人民交通出版社,2011:143. YEAijun,GUANZhongguo.Seismicdesignofbridges[M].2nded.Beijing:ChinaCommunicationsPres,2011.(inChinese) [4] YoshikawaM,HayashiH,KawakitaS,etal.Constructionofbentenviaduct,rigid framebridgewithseismicisolatorsatthefootofpiers[j].ce mentandconcretecomposites,2000,22(1): [5] YangD,PeckRB.NumericalmodelvalidationforindependentcheckofRion-AntirionBridge[J].CanadianGeotechnicalJournal,2004,41 (5): [6] 李曙光. 梁桥墩顶隔震与墩底隔震减震效果比较研究 [D]. 西安 : 长安大学,2004. LIShuguang.Comparativestudyofisolatedefectsofpier topisolationmethodandpier botom isolationmethodofgirderbridges[d].xi an: Chang anuniversity,2004.(inchinese) [7] YanB,XiaY,DuX.Numericalinvestigationonseismicperformanceofbase isolationforrigidframebridges[j].journalofvibroengineering, 2013,15(1): [8] 田圣泽, 袁万城. 采用中层减隔震体系不规则梁桥顺桥向抗震性能研究 [J]. 山东交通学院学报,2014,22(3): TIANShengze,YUANWancheng.Seismicperformancestudyofiregulargirderbridgeswithisolationbearingsinmiddleofpiersintransversethe direction[j].journalofshandongjiaotonguniversity,2014,22(3):46-50.(inchinese) [9] 邓红梅. 城市立交小半径独柱墩弯桥梁体偏移分析 [D]. 合肥 : 合肥工业大学,2015. DENGHongmei.Analysisondirectionofurbancurvedoverpaswithsinglecolumnpierandsmalradius[D].Hefei:HefeiUniversityofTechnolo gy,2015.(inchinese) [10] 袁万城, 曹新建, 荣肇骏. 拉索减震支座的开发与试验研究 [J]. 哈尔滨工程大学学报,2010,31(12): YUANWancheng,CAOXinjian,RONGZhaojun.Developmentandexperimentalstudyoncable slidingfrictionaseismicbearing[j].journalof HarbinEngineeringUniversity,2010,31(12):1593.(inChinese) [11] 刘琼, 李向民, 许清风. 预制装配式混凝土结构研究与应用现状 [J]. 施工技术,2014,43(22):9-14. LIUQiong,LIXiangmin,XUQingfeng.Presentresearchandapplicationofprecastconcretestructure[J].ConstructionTechnology,2014,43 (22):9-14.(inChinese) [12] JTGD 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 [S]. 北京 : 人民交通出版社,2004. JTGD CodeforDesignofHighwayReinforcedConcreteandPrestresedConcreteBridgesandCulverts[S].Beijing:ChinaCommuni cationspres,2004.(inchinese) [13] KimSP,KuramaYC.Analternativepushoveranalysisproceduretoestimateseismicdisplacementdemands[J].EngineeringStructures,2008, 30(12):

墩柱延性抗震西部项目研究

墩柱延性抗震西部项目研究西部交通建设科技项目合同号 :200731882233 交通编号 : 密级 : 单位编号 : 分类号 : 西部地区公路桥梁延性抗震机理与高墩抗震设计方法减震措施 ( 研究报告简本 ) 同济大学重庆交通科研设计院四川省交通厅公路规划勘察设计研究院福州大学 2011 年 5 月中文题名英文题名西部地区公路桥梁延性抗震机理与高墩抗震设计方法减震措施 Seismic ductility mechanism