118 地震工程与工程振动第 38 卷 were34% and44%. Keywords:highwaybridges;double columnpier;brb;aseismicperformance;arangementform 引言 双柱式桥墩是公路桥梁最广泛采用的下部结构形式, 尽管双柱式桥
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1 第 38 卷第 1 期 2018 年 2 月 地震工程与工程振动 EARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGDYNAMICS Vol.38No.1 Feb.2018 文章编号 : (2018) DOI: /j.eeev dongy.013 设置 BRB 构件的双柱式桥墩的横桥向减震分析 董阳 1,2, 张永亮 1,2 3, 张磊 (1. 兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室, 甘肃兰州 ;2. 兰州交通大学道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室, 甘肃兰州 ;3. 北京堡瑞思减震科技有限公司, 北京 ) 摘要 : 以某 3 30m 公路高架桥为工程背景, 采用非线性时程反应分析法, 研究了两种不同墩高下 BRB 的设置方式及核心段材料屈服强度 σ(80~235mpa) 对桥梁地震反应的影响规律 结果表明 : (1) 设置 BRB 的双柱式墩在横桥向地震作用下减震效果显著, 具体减震效果与 BRB 的屈服耗能及改变上部结构地震力在桥墩体系中的传力路径双重因素有关 (2) 对 9m 高双柱式墩,BRB 的最优布置为单斜杆形式 当 BRB 的核心段屈服应力 σ 取值较大时,BRB 将不进入屈服, 通过其侧向刚度改变结构体系的传力路径 (3) 对 18m 高双柱式墩,BRB 的最优布置为双平行斜杆布置 BRB 的减震效果随着 σ 的增大而增加, 在 σ 取值较大值时,BRB 起改变传力路径及滞回耗能的双重作用 (4) 在双柱式桥墩中合理设置 BRB 并取其最优力学参数, 可有效改善桥梁下部结构的抗震性能 对本文算例,9m 和 18m 高双柱式墩墩底弯矩减震率分别为 34% 和 44% 关键词 : 公路桥梁 ; 双柱式墩 ;BRB; 减震性能 ; 布置形式中图分类号 :U448.14;U 文献标志码 :A AnalysisontransversedampingperformanceofdoublecolumnpierwithBRB DONGYang 1,2,ZHANGYongliang 1,2,ZHANGLei 3 (1.KeyLaboratoryofRoad&BridgesandUndergroundEngineeringofGansuProvince,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China; 2.NationalandProvincialJointEngineeringLaboratoryofRoad&BridgeDisasterPreventionandControl,LanzhouJiaotongUniversity, Lanzhou730070,China;3.BeijingBaoRuisiShockAbsorptionTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100043,China) Abstract:Takinga3 30m highwayviaductasengineeringbackground,themethodofsetingbrbandyield strengthofcoresegmentσ(80~235mpa)ontheseismicresponseofbridgewithtwodiferentpierheightarestud iedbyadoptingmethodofnonlineartimehistoryresponseanalysis.resultsshows:(1)theefectofthedouble columnpierwithbrbontheseismicresponseofthebridgeissignificant,andthespecificdampingefectisrelated totheyieldenergyconsumptionofbrbandthechangeoftheseismicforceofthesuperstructureinthebridgesys tem.(2)for9mhighdouble columnpie,theoptimalarangementofbrbisintheformofasinglerod.when thecoresectionofbrbyieldstresvalueσislarge,brbwilnotentertheyield,throughtheforcetransmision pathstructureofitslateralstifneschange;(3)for18mhighdouble columnpietheoptimallayoutofbrbdoub leparalelobliquerodarangement.thedampingefectofbrbincreaseswiththeincreaseofσ,whentheσislar ger,brbplaysadualroleinchangingtheloadpathandhystereticenergydisipation.(4)thereasonableper formanceofthebrbandtheoptimum mechanicalparameterscanbeefectivelyimprovedinthedoublecolumn piers.fortheexampleofthispaper,9mand18mhighmomentatthebotomdouble columnpierdampingrates 收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( , ); 甘肃省科技计划资助项目 (17JR5RA103) Supported by:nationalnaturalsciencefoundationofchina( , ); GansuScienceandTechnologyProgram Support (17JR5RA103) 作者简介 : 董阳 (1991-), 男, 硕士研究生, 主要从事桥梁抗震方面的研究.E mail: @qq.com 通讯作者 : 张永亮 (1975-), 男, 教授, 博士, 主要从事桥梁抗震方面的研究.E mail:zhangyong_l@126.com
2 118 地震工程与工程振动第 38 卷 were34% and44%. Keywords:highwaybridges;double columnpier;brb;aseismicperformance;arangementform 引言 双柱式桥墩是公路桥梁最广泛采用的下部结构形式, 尽管双柱式桥墩的抗震性能优于独柱墩, 但双柱式桥墩在历次强震作用下震害也较为严重, 尤其是横桥向 1989 年美国 LomaPrieta 地震中 Cypres 双层高架 [1] [2-3] 桥的倒塌及 2008 年汶川大地震中百花大桥 顺河大桥等柱式桥墩发生的弯曲或剪切破坏等均证实了强震作用下双柱式桥墩的易损性, 如何提高双柱式桥墩的抗震性能至关重要 减隔震体系是公路桥梁首选的抗震体系, 减震技术的工作机理是 : 采用阻尼式能量耗散元件, 消耗地震能量, 减小结构地震反应, 限制结构位移 [4] 防屈曲支撑(BucklingRestrainedBraces,BRB) 作为易屈服的金属阻尼器, 由于耗能优越 造价低 易于安装, 在桥梁与结构工程抗震设计 加固中颇受青睐 [5-7] Yuandong [8] Wang 等提出使用 BRB 来对排架墩进行抗震改造, 结果表明 BRB 可通过滞回耗能及重新分配横桥向剪力 [9-10] 来保护桥墩 EI Bahey 等提出在桥梁排架墩之间设置 BRB, 地震中由于 BRB 良好的滞回耗能作用可 [11] 有效的保护桥墩免受损伤 XiaoneWei 等提出将 BRB 作为保险丝应用到双柱式墩中,BRB 通过耗散地 [12] 震能量来减少柱子上的非弹性需求, 提高结构性能 石岩提出基于设置 BRB 桥梁排架墩的位移设计方 [13] 法 孙治国等提出将 BRB 运用于桥梁排架墩中, 结果表明 BRB 先于桥梁排架构件发生屈服并消耗地震 [14] 能量, 能提高桥梁排架强度及刚度延缓排架本身屈服过程, 减少变形 华承俊通过增量动力分析研究了 BRB 对桥梁排架墩的损伤控制效果 以上研究内容均侧重于 BRB 在柱式桥墩中的减震效果, 并未探讨不同墩高下 BRB 布置方式及 BRB 核心段参数对柱式桥墩抗震性能的影响 本文以某 3 30m 公路高架桥为依托, 采用非线性时程反应分析法, 研究了 2 种不同墩高下 BRB 的设置方式及核心段材料屈服强度对桥梁地震反应的影响规律 1 桥梁概况与结构建模 1.1 桥梁概况 某 3 30m 公路高架桥, 采用先简支后连续施工方法, 主梁采用预应力混凝土分离式小箱梁 桥面宽度 为 17.5m, 梁高为 1.6m, 主梁采用 C40 混凝土 下部结构为 1.2m 的双柱墩 倒 T 形盖梁, 盖梁高度 1.8m; 基础采用 4 1.5m 的钻孔灌注桩基础, 桩长 17m, 下部结构采用 C30 混凝土 支座采用 GJZF4 矩形 板式橡胶支座, 规格为 mm 桥址区工程场地类别为 Ⅱ 类, 地震设防烈度为 8 度, 地震峰值加速度 为 0.25g, 场地特征周期为 0.45s 1.2 BRB 简介及参数控制 BRB 由钢支撑内芯 外包约束构件 ( 内填砂浆或混凝土的钢管 ) 以及两者之间所设置的无粘结层或间隙 三部分所构成 当地震荷载作用在 BRB 上时,BRB 的内芯承担全部轴向荷载, 约束单元为内芯提供足够的 侧向约束, 防止其发生屈曲, 使得内芯在拉压状态下均能达到屈服, 故 BRB 可通过良好的滞回耗能特性来达 到结构减震的目的 [5] 在抗震结构中应用的 BRB 主要分为以下几种类型 :(1) 作为承载构件使用 ;(2) 作为耗能构 表 1 各工况 BRB 的参数 Table1 ParametersofBRB 件使用 ;(3) 作为拉压屈服型软钢阻尼器使 A(mm 2 ) σ(mpa) F(kN) K(kN/m) 用 [16] 对于桥梁结构,BRB 多用作拉压屈服型软 工况 E5 钢阻尼器 在桥墩之间设置 BRB 是要求其在中 工况 E5 震时也耗能, 保证桥墩的线弹性 ; 大震时 BRB 有 工况 E5 较高的极限承载力, 实现结构的大震不倒 故设 工况 E5 置于桥梁结构中的 BRB 多采用低屈服点钢材和等效刚度大的截面 工况 E5
3 第 1 期董阳, 等 : 设置 BRB 构件的双柱式桥墩的横桥向减震分析 119 BRB 等效刚度为 K=EA/L, 屈服力为 F=σ A 式中:E 为核心段的弹性模量,A 为等效截面积,L 为计算长度,σ 为核心段的屈服强度 对于 L, 可调节的范围较小, 故 σ 与 A 为影响 BRB 减震效果的关键参数 由于文献 [13] 已做过 A 对桥墩抗震性能的影响, 故本文设置了 5 个工况对 σ 进行参数影响分析, 各工况的 BRB 的计算长度取 5m, 其余参数如表 1 所示 1.3 结构建模 为研究桥墩高度对 BRB 抗震性能的影响, 选取了 2 种结构形式的桥梁, 结构形式 1 为 9m 高双柱墩, 不设横系梁 ; 结构形式 2 为 18m 高双柱墩, 设有横系梁 同时假设 : 两种结构形式上部结构 承台及桩基础均相同, 仅墩高不同 各结构形式均采用有限元软 MIDAS/CIVIL 建立全桥空间动力有限元计算模型, 其中图 1 为高墩模型的动力分析模型 模型中主梁 桥墩 桩基础 横系梁均采用空间梁单元模拟, 板式橡胶支座采用线性弹簧单元模拟, 弹簧线刚度为 :30947kN/m 考虑地基土的柔性效应, 基础弹簧刚度按采用 m [15] 法计算, 仅考虑单层土, 土层 m 值取 20000kN/m 4, 桩身底部采用固结处理 BRB 采用 MIDAS/CIVIL 中的滞后系统模拟, 滞后系统所采用的力学模型为 Wen 双线性模型 BRB 的弹性刚度与屈服强度通过计算得到, 屈服后刚度与弹性刚度之比取 0.02 二期恒载为 15kN/m, 采用质量单元模拟, 均匀施加在主梁上 计算模型中基本假设如下 :(1) 桥墩 桩基础及横系梁保持弹性 ;(2) 不考虑支座摩擦滑动效应 ;(3) 仅考虑 BRB 屈服后的材料非线性 地震动采用该桥址处 50 年超越概率为 2% 的 3 条 E2 地震动, 水平地震动强度 PGA 为 0.38g 其中一条典型的地震动见图 2 地震反应分析时, 沿桥横向输入 3 条地震动进行非线性时程反应分析, 结构的响应值取 3 条地震动地震反应的最大值 按如下公式定义减震率 : 减震率 =( 未设置 BRB 桥墩的墩底内力 - 设置 BRB 桥墩的墩底内力 )/ 未设置 BRB 桥墩的墩底内力 100% 图 1 动力分析模型 Fig.1 Dynamicanalysismodel 图 2 典型 E2 地震动 Fig.2 TypicalE2seismicgroundmotion 2 BRB 设置方式及参数对 9m 高桥墩抗震性能的影响规律 为了研究 BRB 的设置方式及参数对 9m 高桥墩体系横桥向抗震性能的影响, 本文设计了 3 种 BRB 布置方式 BRB 采用表 1 中的参数取值 BRB 的布置方式如图 3 所示 各布置方式 4# 墩底截面的内力计算结果见图 4, 图 5 为布置 2 各工况 BRB 的滞回图 3 9m 高桥墩 BRB 布置图曲线, 图 6 为布置 2 最优减震效果下的 4# 墩 Fig.3 BRBarangementformof9mhighpier 墩顶位移时程曲线 由图 4~ 图 6 的计算结果可知 : (1) 在横桥向地震的作用下,BRB 减小双柱式桥墩地震反应的机理为 : 通过 BRB 自身的屈服来耗散地震能量 ; 通过改变上部结构地震力在桥墩体系中的传力路径, 减小墩身的弯矩与剪力 (2) 对于 9m 高桥墩, 各工况下墩底弯矩及剪力减震率由高到低的排序为 : 布置 3< 布置 2< 布置 1 虽布置 2 的弯矩与剪力减震率不如布置 1, 但其布置方式简单便于施工, 下部结构体系传力路径明确, 采用
4 地 120 震 工 程 与 工 程 振 动 第3 8卷 BRB的构件少 单根 BRB构件的减震贡献率高 可充分发挥 BRB滞回耗能的特性 故对 9m高桥墩布置 2 即单斜杆布置为最优布置方式 3 对本文算例 工况 4为布置 2的最优减震工况 此时 BRB滞回曲线面积最大 桥墩的墩顶位移减小 了3 3 墩底弯矩及剪力减震率分别为 3 4 35 4 对 9m高桥墩 当 σ增大时 布置 2的墩底弯矩及剪力呈减小趋势 墩底轴力呈增大趋势 当 σ取 值较大时 BRB将不进入屈服 由于 BRB侧向刚度的贡献 BRB将起到改变结构体系传力路径的作用 未能 发挥其滞回耗能的特性 图 4 9m高桥墩墩底截面内力减震率 F 4 I l h b m 9mh hp 图 5 布置 2各工况的 BRB滞回曲线 F 5 BRBh y 图 6 墩顶位移时程曲线 F 6 P p p l m T mh y w k m 2 3 BRB设置方式及参数对 1 8m 高桥墩抗震性能的影响规律 图7 1 8m高桥墩 BRB布置图 F 7 BRB m p l 1 8mh hp 为了研究 BRB的设置方式及参数对 1 8m高桥墩抗震性能的影响规律 设计了 6种 BRB布置方式 BRB采用表 1中的参数取值 BRB的布置方式如图 7所示 各布置方式 4 墩底截面的内力计算结果见图 8 图 9为布置 1各工况 BRB的滞回曲线 图 1 0为布置 1
5 第 1期 董 阳 等 设置 BRB构件的双柱式桥墩的横桥向减震分析 121 最优减震效果下的 4 墩顶位移时程曲线 图8 1 8m高桥墩墩底截面内力减震率 F 8 I l h b m 1 8mh hp 图 9 布置 1各工况的 BRB滞回曲线 F 9 BRBh y w k m 1 图1 0 墩顶位移时程曲线 F 1 0 P p p l m m h y
6 122 地震工程与工程振动第 38 卷 由图 8~ 图 10 的计算结果可知 : (1) 对本文算例,18m 高桥墩最佳减震布置为布置 1 即双平行斜杆布置 ; 最佳减震工况为工况 5, 此时 BRB 的滞回曲线面积最大, 桥墩的墩顶位移减小了 42%, 墩底弯矩及剪力减震率分别为 44% 和 40% 由于 18m 高桥墩墩在地震作用下顶位移较大,BRB 的滞回曲线面积较大, 故 BRB 在 18m 高桥墩中的减震效率优于 9m 高桥墩 (2) 对于 18m 高桥墩, 墩底截面弯矩 剪力随 σ 的增大而减小 在 σ 取值最大时墩底的轴力大于工况 4, 此时 BRB 在 18m 高桥墩抗震体系起改变传力路径及滞回耗能的作用 4 结论 (1) 设置 BRB 的双柱式桥墩在横桥向减震效果与 BRB 的屈服耗能及改变上部结构地震力在桥墩体系中的传力路径双重因素有关 (2) 在双柱式桥墩中合理设置 BRB 并取其最优力学参数, 可有效改善桥梁下部结构的抗震性能 对无横系梁且桥墩高度在 9m 左右的结构,BRB 的最优布置为单斜杆形式 对设单横系梁且桥墩高度在 18m 左右的结构,BRB 的最优布置为双平行斜杆布置 对本文算例 9m 高桥墩墩底弯矩减震率为 34%,18m 高桥墩墩底弯矩最佳减震率为 44%,BRB 在 18m 高桥墩中的减震效率优于 9m 高桥墩 (3) 对于 9m 高桥墩, 当 σ 取值较大时,BRB 将不进入屈服,BRB 将改变结构体系的传力路径 ; 对于 18m 高桥墩, 墩底内力的减震效果随 σ 增大而增加, 在 σ 取值较大值时,BRB 桥墩减震体系中起改变传力路径及滞回耗能的双重作用 建议在 9m 高桥墩中采用低屈服点的钢材作为 BRB 的核心段材料, 在 18m 高桥墩中采用高屈服点的钢材 参考文献 : [1] KunnathSK,CrosJL.InelasticresponseofthecypresviaducttotheLomaPrietaearthquake[J].EngineeringStructures,1995,17(7): [2] 庄卫林, 刘振宇, 蒋劲松. 汶川大地震公路桥梁震害分析与对策 [J]. 岩石力学与工程学报,2009,(7): ZHUANGWeilin,LIUZhenyu,JIANGJinsong.SeismicdamageanalysisandCountermeasuresofhighwaybridgesinWenchuanearthquake[J]. ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2009,(7): (inChinese) [3] 王东升, 郭迅, 孙治国, 等. 汶川大地震公路桥梁震害初步调查 [J]. 地震工程与工程振动,2009,29(3): WANGDongsheng,GUOXun,SUNZhiguo,etal.DamagetohighwaybridgesduringWenchuanearthquake[J].EarthquakeEngineeringandEngi neeringdynamics,2009,29(3):84-94.(inchinese) [4] 叶爱军, 管仲国. 桥梁抗震 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2011. YEAijun,GUANZhongguo.Seismicresistanceofbridges[M].Beijing:ChinaCommunicationsPres,2011.(inChinese) [5] 周云. 防屈曲耗能支撑结构设计与应用 [M]. 北京 : 中国建筑工业出版社,2007. ZHOUYun.Designandapplicationofbucklingrestrainedbracestructure[M].Beijing:ChinaArchitectureandBuildingPres,2007.(inChi nese) [6] 吕西林, 陈聪. 带有可更换构件的结构体系研究进展 [J]. 地震工程与工程振动,2014,34(1): LVXilin,CHENCong.Researchprogresinstructuralsystemswithreplaceablemembers[J].EarthquakeEngineeringandEngineeringDynamics, 2014,34(1):27-36.(inChinese) [7] 吴徽, 张艳霞, 张国伟, 等. 防屈曲支撑作为可替换耗能元件抗震性能试验研究 [J]. 土木工程学报,2013,46(11): WUHui,ZHANGYanxia,ZHANGGuowei,etal.Experimentalstudyonseismicperformanceofbucklingrestrainedbraceasreplaceableenergy disipationelement[j].chinesejournalofcivilengineering,2013,46(11):29-36.(inchinese) [8] YuandongWang,ASCESM,Luis,etal.Seismicretrofitofathree spanrcbridgewithbuckling restrainedbraces[j].journalofbridge,2016, 21(7): [9] EI BaheyS,BrunaeuM.Bridgepierswithstructuralfusesandbi steelcolums.i:experimentaltesting[j].journalofbridgeengineering, ASCE,2011,17(01): [10] El BaheyS,BruneauM.Bridgepierswithstructuralfusesandbi steelcolumns.i:analyticalinvestigation[j].journalofbridgeengineering, ASCE,2012,17(1): [11] XiaoneWei,MichelBruneau,ASCEF.Casestudyonapplicationsofstructuralfusesinbridgebents[J].JournalofBridgeEngineering,2016,21 (7): [12] 石岩. 减隔震桥梁性能设计方法及环境影响因素研究 [D]. 大连 : 大连海事大学,2015. SHIyan.Performancedesignmethodofisolatedbridgeandenvironmentalimpactfactorsof[D].Dalian:DalianMaritimeUniversity,2015.(in
7 第 1 期董阳, 等 : 设置 BRB 构件的双柱式桥墩的横桥向减震分析 123 Chinese) [13] 孙治国, 华承俊, 石岩, 等. 利用 BRB 实现桥梁排架基于保险丝理念的抗震设计 [J]. 振动与冲击,2015,34(22): SUNZhiguo,HUAChengjun,SHIYan,etal.SeismicdesignofbridgebentswithBRBasastructuralfuse[J].JournalofVibrationandShock, 2015,34(22): (inChinese) [14] 华承俊. 桥梁排架结构地震破坏机理及损伤控制方法 [D]. 大连 : 大连海事大学,2015. HUAChengjun.Seismicdamagemechanism anddamagecontrolmethodofbridgebentstructure[d].dalian:dalianmaritimeuniversity, 2015.(inChinese) [15] JTG/TB 公路桥梁抗震设计细则 [S]. JTG/TB GuidelinesforSeismicDesignofHighwayBridges[S].(inChinese) [16] 李国强, 孙飞飞, 张杨. 屈曲约束支撑的应用分类标准与性能标准 [J]. 土木建筑与环境工程,2010,33(2): LIGuoqiang,SUNFeifei,ZHANGYang.Appliedclasificationcriteriaandperformancecriteriaforbucklingrestrainedbraces[J].CivilEngi neeringandenvironmentalengineering,2010,33(2): (inchinese)
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