2013 年 5 月第 5 期 ( 总 176) 铁道工程学报 JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY May 2013 NO.5(Ser.176) 文章编号 :1006-2106(2013)05-0040-07 高烈度区多跨刚构连续梁桥减隔震设计研究 刘 俊 ( 中铁第五勘察设计院集团有限公司, 北京 102600) 摘要 : 研究目的 : 结合处于高烈度区的某 (48+4 80+48)m 刚构连续梁桥的工程实例, 分析对比对长联多跨刚构连续梁桥分别应用液体黏滞阻尼器 Lock-up 装置 以及的减隔震效果, 并对影响减隔震效果的相关参数进行分析研究, 为合理选择减隔震措施提供依据 研究结论 :(1) 位于高烈度区的长联多跨刚构连续梁桥, 刚构墩的地震响应较大, 需要进行减隔震设计 ; (2) 液体黏滞阻尼器 Lock-up 装置 以及这四种减隔震设计措施均有各自的优点及局限性, 前两种只适用于顺桥向减隔震设计, 后两种在顺桥向 横桥向均能达到明显的减隔震效果 ; (3) 针对高烈度区的长联多跨刚构连续梁桥, 合理地选择减隔震措施及相关参数具有重要意义 ;(4) 研究成果可应用于指导桥梁抗震设计 关键词 : 刚构连续梁桥 ; 液体黏滞阻尼器 ;Lock-up 装置 ; ; 中图分类号 :U24 文献标识码 :A ResearchonSeismicIsolationDesignofMulti-spanRigidFrame-continuous GirderBridgeinHighSeismicIntensityArea LIUJun (ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd,Beijing102600,China) Abstract:Researchpurposes:Combinedwithconstructionofa(48+4 80+48)m rigidframe-continuousgirder bridgeinahighseismicintensityarea,theefectsofapplyingthefluidviscousdamper,lock-updevice,double sphericalseismicisolationbearingandshockabsorbertothelongmulti-spanrigidframe-continuousgirderbridgeare analyzedandcomparedrespectively,andthemainparametersthatafecttotheefectofseismicisolationdesignare discusedtoprovidethebasisforthereasonableselectionofseismicisolationmeasures. Researchconclusions:(1)Itisnecesarytomaketheseismicdesignforthelongmulti-spanrigidframe-continuous girderbridgeinahighseismicintensityareabecausetheseismicresponsetotherigidframepierisratherbig.(2)the analysisresultsshowthatthefourseismicisolationmeasuresofusingthefluidviscousdamper,lock-updevice,double sphericalseismicisolationbearingandshockabsorberhavetheirownadvantagesanddisadvantages.thefirsttwo measuresareonlyavailableforthebridgeinlongitudinaldirection.thelatertwomeasuresareavailableforthebridge inbothlongitudinaldirectionandintransversedirection.(3)reasonablyselectingseismicisolationmeasureandits mainparametersisveryimportanttotheseismicdesignoflongmulti-spanrigidframe-continuousgirderbridgesina highseismicintensityarea.(4)theresearchresultscanbeusedinguidingforseismicdesignofbridge. Keywords:rigidframe-continuousgirderbridge;fluidviscousdamper;lock-updevice;doublesphericalseismic isolationbearing;shockabsorber 收稿日期 :2012-11-19 作者简介 : 刘俊,1981 年出生, 男, 高级工程师
第 5 期刘俊 : 高烈度区多跨刚构连续梁桥减隔震设计研究 41 近年来, 我国地震活动较为频繁, 几次大地震一再显示了桥梁工程破坏的严重后果 传统抗震设计主要是依靠结构 构件自身的强度 延性 耗能能力来抗震, 为了满足高烈度区结构的抗震要求, 往往需要较大的经济投入 减隔震设计是通过采用减隔振装置来改变结构在地震中的动力响应特性, 尽可能地将结构或部件与可能引起破坏的地震地面运动或支座运动分离开来, 大大减少传递到上部结构的地震力和能量, 外加耗能机制作为主要的抗震构件, 结构构件抗震为辅 位于高烈度区的长联多跨刚构连续梁桥按照传统方法抗震设计, 支座等上 下部结构连接构造很难满足现行桥梁抗震设计规范的要求, 桥墩 基础的设计也会一定程度上增加资金投入 与传统抗震设计相比, 减隔震设计可以从根本上减小结构的地震响应, 能同时达到既经济又较容易满足现行桥梁抗震设计规范要求 的双赢效果 在高烈度区, 减隔震设计可选用铅芯橡胶支座 球型减隔震支座 等减隔震装置 本文结合位于 Ⅷ 度区的某铁路桥 (48+4 80+48)m 刚构连续梁桥, 分析比较了采用液体黏滞阻尼器 设置 Lock-up 装置 以及设置四种常用的减隔震设计方案的减隔震效果 1 工程概况及有限元模型 1.1 工程概况某单线铁路 (48+4 80+48)m 预应力混凝土刚构连续梁桥, 桥梁全长 416.0m, 最大墩高 12.5m 主梁采用 C50 混凝土, 墩身采用 C45 混凝土, 承台采用 C40 混凝土, 桩基采用 C35 混凝土 全桥立面布置如图 1 所示 图 1 立面布置图 ( 单位 :cm) 主梁为单箱单室变高度箱粱, 箱梁典型截面梁高 : 端支座处 边跨直线段和中跨中处均为 3.8m, 边跨直线段长 9.65m; 中支点处梁高 6.8m, 平段长 4.0m; 梁高按圆曲线变化, 圆曲线半径 R=229.667m 主梁横向为单箱单室直腹板截面, 全桥箱梁底板宽 4.0m, 顶板宽 7.0m, 顶板厚 0.35m, 腹板厚 0.4~0.8m, 底板厚由直线段的 0.4m 变化至中支点梁根部的 0.9m 主墩采用 3.6m 7.0m 矩形截面单柱实心墩, 除交接墩外, 其它活动墩均采用 4.0m 7.0m 矩形截面单柱实心墩, 交接墩采用 3.5m 7.0m 的圆端型截面 ; 主墩基础为 18 根 1.5m 钻孔灌桩基础, 采用行列式布置, 桥墩编号从左至右为 1 # ~7 # 墩, 其中 4 # 墩与主梁固结, 其它各墩均为活动墩, 墩顶设置单向活动支座 1.2 有限元模型 本文运用空间分析软件 MIDAS 建立了该桥的空间有限元计算模型, 如图 2 所示 主梁 主墩均采用空间梁元模拟 ; 主墩桩基周围土的约束作用, 根据文献 [3] 可用承台底 6 个自由度的弹簧刚度模拟桩土相互作用, 弹簧刚度数值根据文献 [4] 的 m 法 确定, 土的抗力取值比静力大, 一般取 m 动 =(2~3)m 静, 计算得到各墩承台底的刚度系数如表 1 所示 ; 其中 K X K Y K Z 分别表示沿纵桥向 横桥向 竖向线刚度系数,K XX K YY K ZZ 分别表示沿纵桥向 横桥向 竖向转动刚度系数,K XY K YX 分别表示水平线刚度与转动刚度的相关系数, 在模型中指定节点弹簧输入各墩承台底的刚度系数来模拟桩基础的作用 ; 支座作用通过在梁部与墩顶相应节点建立连接单元来模拟, 按实际支座布置方式建模 按照传统的抗震设计方法, 多跨刚构连续梁桥除刚构墩外其它活动墩一般只设置纵向活动支座, 支座设置横向约束以保证结构具有足够的横向刚度满足正常使用的要求, 各墩墩顶处的支座约束方式如表 2 所示, 0 表示无约束, 1 表示有约束, K 表示输入刚度值 主梁与刚构墩之间通过刚臂连接
42 铁道工程学报 2013 年 5 月 K X / (kn/m) K Y / (kn/m) K Z / (kn/m) 图 2 空间有限元模型 表 1 桩基础刚度矩阵 K XX / (kn m/rad) K YY / (kn.m/rad) K ZZ / (kn m/rad) K XY / (kn m/m) K YX / (kn m/m) 1 # 墩 1.68E+06 1.65E+06 1.17E+07 1.45E+08 7.22E+07 2.95E+07 4.25E+06-4.20E+06 2 # 墩 4.12E+06 4.03E+06 2.49E+07 5.48E+08 3.16E+08 1.35E+08 1.13E+07-1.12E+07 3 # 墩 5.82E+06 4.68E+06 3.10E+07 9.44E+08 3.34E+08 2.19E+08 1.50E+07-1.30E+07 4 # 墩 5.88E+06 5.74E+06 3.51E+07 1.70E+09 4.38E+08 3.48E+08 1.53E+07-1.50E+07 5 # 墩 5.80E+06 4.66E+06 2.86E+07 8.75E+08 3.12E+08 2.19E+08 1.49E+07-1.29E+07 6 # 墩 4.09E+06 3.99E+06 2.38E+07 5.25E+08 3.03E+08 1.34E+08 1.12E+07-1.11E+07 7 # 墩 1.69E+06 1.66E+06 1.21E+07 1.49E+08 7.43E+07 2.97E+07 4.29E+06-4.25E+06 结构部位 表 2 成桥状态的支承连接条件 成桥状态 Δ x Δ y Δ z θ x θ y θ z 1 # 2 # 3 # 5 # 6 # 7 # 墩在墩梁连接处 0 1 1 1 0 0 墩基础在承台底 K K K K K K 2 地震动输入 根据 中国地震动参数区划图 (GB18306 2001) 可知, 该桥位于高震区 鉴于本桥结构和场地的特殊性, 委托相关地震研究中心对工程场地的地震安全性进行评价 地震安全性评价报告按照 50 年超越概率 63% 10% 2% 三种概率水平分别提供了该桥基岩处人工合成的加速度时程曲线, 每种概率水平提供 3 个样本 本文计算结构地震响应时选取对应于多遇地震作用 (50 年超越概率 63%) 的第一个样本作为地震动输入, 分析各参数对阻尼器的最大出力和最大冲程影响时选取对应于罕遇地震作用 (50 年超越概率 2%) 的第一个样本作为地震动输入, 如图 3 所示 多遇地震作用 "#$%# 3 减隔震设计! 罕遇地震作用 图 3 地震动加速度时程曲线 长联多跨刚构连续梁结构体系在高烈度区不利于抗震, 活动墩对结构顺桥向抗震的贡献很小, 刚构墩顺桥向的地震响应明显大于其它活动墩 ; 由于结构横向刚度较大, 各墩横桥向的地震响应均较大, 按照增加控制截面尺寸 调整截面配筋的传统抗震设计方法很难满足现行桥梁抗震设计规范的要求, 需要进行减隔震设计 3.1 设置液体黏滞阻尼器 桥梁结构中安置阻尼器可以增加结构的阻尼, 在地震中耗散振动能量, 从而减少桥梁结构的受力, 减少
第 5 期刘俊 : 高烈度区多跨刚构连续梁桥减隔震设计研究 43 桥梁的运动和位移, 也就大大增加了桥梁的抗震能力 液体黏滞阻尼器的运动速度和阻尼力的关系式为 : F=CV α (1) 式中 F 阻尼力 ; C 阻尼器的阻尼系数 ; V 阻尼器两端间的相对运动速度 ; α 速度指数, 常用值在 0.3~1.0 之间 阻尼系数 C 和速度指数 α 是阻尼器的两个重要设计参数,C 的取值对阻尼力 F 的影响较大,α 的取值直接影响阻尼器滞回曲线的形状, 这两个设计参数取值是否合理则直接影响阻尼器的减震效果 对于该桥, 经计算分析发现, 在 1 # 2 # 3 # 5 # 6 # 7 # 墩处顺桥向设置 6 个黏滞阻尼器方案的减震效果最为明显 本文分析研究了 α 分别取 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1.0,C 分别取 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 下顺桥向设置 6 个黏滞阻尼器的减震效果, 其中顺桥向地震作用下刚构墩墩底的纵向弯矩 墩顶的纵向位移如图 4 图 5 所示, 阻尼器的最大阻尼力 最大冲程与阻尼系数的变化关系如图 6 图 7 所示 纵向弯矩 纵向位移!!! 阻尼系数!!! 图 4 刚构墩墩底纵向弯矩! 阻尼系数 " # $% " 图 5 刚构墩墩顶纵向位移 最大阻尼力 最大冲程 阻尼系数 图 6 阻尼器最大阻尼力!!!" 阻尼系数 图 7 阻尼器最大冲程!#!$! # 从图 4 图 5 可以看出,4 # 墩墩底的纵向弯矩 墩顶的纵向位移随阻尼系数 C 的增大而减小, 随速度指数 α 的增大而增大 从图 6 可以看出, 阻尼器的最大阻尼力 F 随阻尼系数 C 的增大而增大 ; 当 C 值小于 3000 时,F 呈现随速度指数 α 增大而增大的趋势, 当 C 值大于 3000 时,F 呈现随速度指数 α 增大而减小的趋势 从图 7 可以看出, 阻尼器的最大冲程随阻尼系数 C 的增大而减小, 随速度指数 α 的增大而增大 综合考虑阻尼器的减震效果及经济效益, 建议速度指数 α 取 0.3, 阻尼系数 C 取 3000kN/(m/s) 0.3 3.2 设置 Lock-up 装置 Lock-up 装置是一种类似速度开关的限位装置, 虽然 Lock-up 装置本身没有耗能作用, 但启动后能通过锁定桥墩 主梁间的相对位移使活动墩与固定墩共同承担地震力, 各墩承受的地震力趋向于均衡, 有利于整个结构的抗震设计 Lock-up 装置可以用下式来模拟 : { 0 F= 0 v v 0 F max v>v 式中 F max 最大锁定力 ; (2)
4 铁道工程学报 2013 年 5 月 v 0 控制速度, 通常选择在 0.127~0.25mm/s 之间 Lock-up 装置通常顺桥向设置在桥梁结构的活动墩与主梁之间, 设计参数主要为最大冲程 最大锁定力和控制速度 对于该桥, 经计算分析发现, 在 3 # 5 # 墩处顺桥向设置 2 个 Lock-up 装置的减震效果最为明显 3.3 设置 国内外目前常用的减隔震支座主要包括橡胶类减隔震支座 滑动摩擦型减隔震支座两大类 是滑动摩擦型减隔震支座的一种, 其构造如图 8 所示 与橡胶类减隔震支座相比, 具有构造简单 承载力大 耐久性好等优点, 在桥梁结构减隔震设计中已经得到了越来越多的应用, 尤其在一些跨径较大的桥梁结构中得到了较广泛的应用 可以用等效线性化模型来模拟, 其滞回曲线如图 9 所示 上座板防尘密封装置球面不锈钢滑板四氟滑板 安全螺钉 抗剪销 导向板下座板 中座板 纵向弯矩 纵向位移 球心距 图 10 刚构墩墩底纵向弯矩 球心距 图 11 刚构墩墩顶纵向位移 图 8 构造示意图 图 9 的滞回曲线 滑动球面和转动球面的球心距 H 滑动球面的摩擦系数 μ 是影响减震效果的两个主要设计参数 本文分析比较了在各活动墩上设置, 摩擦系数分别取 0.01 0.02 0.025 0.03 0.04,1 # 7 # 墩上支座的球心距取一般值 2.1m,2 # 3 # 5 # 6 # 上支座的球心距分别取 3.6m 4.8m 6.0m 7.2m 8.4m 9.6m, 在顺桥向地震作用下刚构墩墩底的弯矩响应 墩顶位移响应如图 10 图 11 所示 从图 10 图 11 可以看出,4 # 墩墩底的纵向弯矩 墩 顶的纵向位移随摩擦系数的变化较明显, 均随摩擦系数的增大而减小 球心距对结构地震响应的影响较小 综合考虑各种因素, 建议摩擦系数选取 0.025, 球心距为 4.8m 3.4 设置近年来, 支座功能分离的减震思想成为桥梁减震技术一条新的有效途经 这种思想是将桥梁的固定支座改为活动支座, 在正常使用状态下, 梁体传来的竖向反力及梁端的转角仍由支座实现, 但梁体的水平反力及水平位移则由或屈曲约束支撑来实现 地震发生时, 或屈曲约束支撑既降低了结构的合成刚度, 延长了结构的周期, 又通过塑性变形起到耗能的作用, 从而减小结构的地震响应 根据其使用位置可分为固定榫和单向活动榫, 单向活动榫在活动方向设置有速度锁定器, 实现活动榫在地震发生时同时参与受力, 在温度 收缩徐变等缓慢因素作用下不参与受力 对于该桥, 各活动墩上的设计参数主要有屈服强度 初始刚度 屈后刚度, 速度锁定器最大出力 通过分析计算, 各活动墩上设置的参数如表 3 所示
第 5 期刘俊 : 高烈度区多跨刚构连续梁桥减隔震设计研究 45 表 3 各活动墩上设置的参数表 屈服强度弹性刚度屈后刚度速度锁定器 /kn /(kn/mm) /(kn/mm) 最大出力 /kn 1 # 7 # 464.0 246.8 4.62 1000.0 2 # 3 # 5 # 6 # 2314.0 1232.0 23.10 5600.0 3.5 减隔震设计方案对比 为了对比上述各种减隔震设计方案的减隔震效果, 本文给出了在多遇地震作用下传统抗震设计和使用上文选取参数设置液体黏滞阻尼器 Lock-up 装置 以及下各墩墩底的弯矩 墩顶的位移响应, 如图 12~ 图 15 所示 纵向弯矩 纵向位移 横向弯矩 #$! 传统抗震设计 阻尼器! " 图 12 各种减隔震方案下各墩墩底纵向弯矩!" 传统抗震设计 阻尼器 # $! 图 13 各种减隔震方案下各墩墩顶纵向位移 传统抗震设计 阻尼器! " 图 14 各种减隔震方案下各墩墩底横向弯矩 横向位移 传统抗震设计 阻尼器! " # $ 图 15 各种减隔震方案下各墩墩顶横向位移 通过比较分析发现, 在桥梁结构顺桥向设置液体黏滞阻尼器, 可有效降低刚构墩的纵向内力响应, 同时控制刚构墩的纵向位移, 多遇地震作用下刚构墩墩底的纵向弯矩约降低 74.4%, 墩顶的纵向位移约减小 73.5% 在桥梁结构顺桥向设置 Lock-up 装置, 可提高结构的整体抗震能力, 但不具备减震能力 的减震效果非常明显, 其中多遇地震作用下刚构墩墩底的弯矩响应和墩顶的位移响应减震率均超过 54%, 活动墩墩底的横向弯矩响应和墩顶的横向位移响应减震率均超过 60% 的减震效果也十分明显, 其中多遇地震作用下刚构墩墩底的弯矩响应和墩顶的位移响应减震率均超过 65%, 活动墩的纵向弯矩 纵向位移略有增加, 活动墩墩底的横向弯矩响应和墩顶的横向位移响应减震率均超过 50% 4 结论 通过上述分析计算, 可以得到以下主要结论 : (1) 位于高烈度区的长联多跨刚构连续梁桥, 若采用传统的抗震设计, 刚构墩的地震响应较大, 很难满足现行抗震设计规范的要求, 必须对其进行减隔震设计研究 ; (2) 刚构连续梁桥设置液体黏滞阻尼器进行减隔震设计, 与传统抗震设计相比, 刚构墩的纵向弯矩和主梁的纵向位移均能得到较好的控制, 墩底的纵向弯矩和墩顶的纵向位移减小超过 70%, 但此方案只适宜用于顺桥向减隔震 ; (3) 刚构连续梁桥设置 Lock-up 装置进行减隔震设计, 与传统抗震设计相比, 刚构墩的纵向弯矩和主梁的纵向位移在一定程度上得到控制, 但设置 Lock- up 装置的活动墩的纵向弯矩 纵向位移增加明显, 对于高烈度区的长联多跨桥梁, 往往不能达到很好的减隔震效果 此方案只适宜用于低烈度区中 小桥梁顺
46 铁道工程学报 2013 年 5 月 桥向减隔震 ; (4) 刚构连续梁桥设置, 在顺桥向 横桥向均能达到明显的减震效果, 支座的两个主要参数球心距和摩擦系数的取值对结构的减震效果有明显影响 ; 在使用对结构进行减震设计时, 应合理地选取支座参数, 从而达到最佳的减震效果 ; (5) 刚构连续梁桥设置进行减隔震设计, 在顺桥向 横桥向均能起到良好的减震效果 ; 在反复荷载作用下, 展现出较好的延性和耗能能力, 这种支座功能分离的减隔震设计思想是高烈度区桥梁减隔震设计一种新的有效途径 ; (6) 对位于高烈度区的刚构连续梁进行减隔震设计的措施有多种, 合理地选择减隔震措施及相关参数, 能够有效地控制结构的地震响应, 从而满足现行抗震设计规范的要求 针对本文研究对象, 从减隔震效果及经济因素考虑, 最终选择设置 参考文献 : [1] 范立础, 王志强. 桥梁减隔震设计 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2001. FanLichu,WangZhiqiang.SeismicIsolation Design forbridges[m].beijing:chinacommunicationspres, 2001. [2] GB50111 2006, 铁路工程抗震设计规范 [S]. GB50111 2006,CodeforSeismicDesignofRailway Engineering[S]. [3] 范立础, 李建中, 王君杰. 高架桥梁抗震设计 [M]. 北京 : 人民交通出版社,2001. FanLichu,LiJianzhong,WangJunjie.SeismicDesign for Viaducts [M ].Beijing:China Communications Pres,2001. [4] TB10002.5 2005, 铁路桥涵地基和基础设计规范 [S]. TB 10002.5 2005,CodeforDesign on Subsoiland FoundationofRailwayBridgeandCulvert[S]. [5] 陈永祁, 耿瑞琦, 马良?. 桥梁用液体黏滞阻尼器的减振设计和类型选择 [J]. 土木工程学报,2007(7):55-61. ChenYongqi,GengRuiqi,MaLiangzhe.Designand SelectionofFluidViscousDevicesforShockControlof Bridges[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2007(7): 55-61. [6] 彭天波, 李建中, 范立础. 的开发及应用 [J]. 同济大学学报 ( 自然科学版 ),2007(2): 176-180. PengTianbo,LiJianzhong,Fan Lichu. Development andapplicationofdoublesphericalaseismicbearing [J].JournalofTongjiUniversity(NaturalScience), 2007(2):176-180. [7] 高日, 李承根. 汶川地震思考及铁路桥梁 支座功能分离 减震设计方法 [J]. 铁道工程学报,2008(S):202-207. GaoRi,LiChenggen. Consideration the Wenchuan EarthquakeandVibration-reliefDesignMethodwith Bearing FunctionalSeparation for Railwway Bridge [J]. JournalofRailway Engineering Society,2008 (S):202-207. [8] 徐秀丽, 段好安, 郎冬梅, 等. 预应力混凝土大跨连续梁桥隔震设计 [J]. 公路交通科技,2009(8):46-50. Xu Xiuli,Duan Haoan,Lang Dongmei,etc. Seismic IsolationDesignforLong-spanPrestresedContinuous Gird Bridge [J]. Journal of Highway and TransportationResearchandDevelopment,2009(8): 46-50. [9] 鲁传安, 胡世德, 叶爱君. 强震区大跨高墩连续梁桥抗震性能研究 [J]. 结构工程师,2007(6):56-61. LuChuanan,Hu Shide,YeAijun.Studyon Seismic PerformanceforLongSpanandHighPierContinuous GirderBridges in Severe Earthquake Region[J]. StructuralEngineers,2007(6):56-61. [10] 郭磊, 李建中, 范立础. 大跨度连读梁桥减隔震设计研究 [J]. 土木工程学报,2006(3):81-85. GuoLei,LiJianzhong,FanLichu.ResearchonSeismic IsolationDesign forlong-span ContinuousBridges [J].ChinaCivilEngineeringJournal,2006(3):81-85.