柏小勇,凌 浩,王建金
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴陽 550023)
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西南地震區(qū)高墩裝配式T梁橋支座設(shè)計(jì)研究
柏小勇,凌浩,王建金
(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司, 貴陽550023)
摘要:針對西南地震區(qū)高墩裝配式T梁橋的支座選取,建立空間動力分析有限元模型,采用非線性時(shí)程波分析方法,對比研究板式橡膠支座方案、盆式支座方案和雙曲面摩擦擺式減隔震支座方案隨墩高變化時(shí)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果表明:板式橡膠支座方案適用性較強(qiáng);墩高較矮時(shí)不建議采用盆式支座方案;地震烈度較高時(shí),雙曲面摩擦擺式減隔震支座方案可行。
關(guān)鍵詞:地震;高墩裝配式T梁橋;支座;墩高;非線性時(shí)程波
西南地區(qū)多位于高烈度地震區(qū),具有山高谷深、地形地貌復(fù)雜等特點(diǎn),所以高墩橋梁居多。為了降低施工難度和節(jié)約工程造價(jià),設(shè)計(jì)中采用大量的裝配式T梁。為了適應(yīng)劇烈變化的地形條件,裝配式T梁橋下部結(jié)構(gòu)通常采用雙柱式橋墩,而為了提高雙柱式高墩橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,一般會在2根墩柱間設(shè)計(jì)墩系梁。
然而,目前關(guān)于支座選取的研究較少。蔣建軍[1]對一座4跨1聯(lián)的結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)橋梁進(jìn)行了比較分析,建議墩較高時(shí)采用盆式支座。孟極[2]對地震區(qū)中小跨徑橋梁3種支座布置方案進(jìn)行了研究,推薦橋臺處采用活動盆式支座,橋墩處布置固定盆式支座。黃東[3]對山區(qū)高速公路橋梁的支座設(shè)計(jì)僅進(jìn)行了非地震條件下的研究。因此,西南地震區(qū)高墩裝配式連續(xù)T梁橋支座設(shè)計(jì)是一個值得探討和研究的問題。
本文選取西部山區(qū)高墩裝配式T梁橋,變化橋墩高度和支座類型,進(jìn)行非線性時(shí)程波分析,以提高橋梁的抗震性能為目標(biāo),對支座合理選取進(jìn)行探討和研究。
1工程背景
西部地區(qū)由于地形起伏劇烈,橋梁采用高低墩非常普遍。但是從研究規(guī)律角度出發(fā),本次研究對象為等墩高裝配式T梁橋。
本文選取的裝配式T梁橋跨徑布置為3×30 m+3×30 m+3×30 m,兩側(cè)1聯(lián)橋梁作為邊界聯(lián)。裝配式T梁橋由5片T梁組成,橋面總寬12 m,梁高2 m。當(dāng)墩高為15~30 m時(shí),雙柱式橋墩的墩徑為1.8 m,樁徑為2.0 m,設(shè)置1道墩系梁和1道地系梁,系梁截面尺寸高×寬為1.8 m×1.4 m。主梁跨中、支點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)斷面和下部構(gòu)造見圖1、圖2。
圖1 跨中、支點(diǎn)斷面
圖2 橋墩構(gòu)造示意
2地震動參數(shù)
依據(jù)JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[4],確定本文研究橋梁的設(shè)防類別為B類,設(shè)防烈度為7度,水平向設(shè)計(jì)基本加速度峰值為0.15g;橋梁地處Ⅱ類場地,場地系數(shù)為1.0,阻尼調(diào)整系數(shù)1.0,特征周期為0.35 s。另外,參照文獻(xiàn)[4],選取參數(shù)擬合E1設(shè)防水準(zhǔn)的規(guī)范反應(yīng)譜,擬合并合理選取7條非線性時(shí)程波,其中2條時(shí)程波見圖3。
3模型建立
采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行建模分析[5-7]。主梁、橋墩、蓋梁、系梁、樁均采用空間彈性梁單元模擬,支座均采用三維彈簧單元進(jìn)行模擬,樁基礎(chǔ)在3倍樁徑處固結(jié)模擬樁土相互作用。三維空間有限元分析模型見圖4。
4支座設(shè)計(jì)
在西部地震區(qū),橋梁采用的支座類型主要包括板式橡膠支座、四氟滑板支座、盆式支座等,減隔震支座采用較少。為使結(jié)構(gòu)抗震性能最優(yōu),需合理確定支座類型。
本文選取3種支座布置方案,對其橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行對比研究。
圖3 非線性時(shí)程波
圖4 三維空間有限元模型
方案1:過渡墩采用四氟滑板支座,連續(xù)墩采用板式橡膠支座。
方案2:過渡墩采用四氟滑板支座,第1個連續(xù)墩采用1個橫橋向單向固定盆式支座和4個雙向活動盆式支座;第2個連續(xù)墩采用1個固定盆式支座和4個橫橋向單向活動盆式支座。
方案3:全橋均采用雙曲面摩擦擺式減隔震支座。
3種支座方案的支座豎向剛度均取為108kN/m,各支座水平剛度取值如下。
四氟滑板支座和板式橡膠支座的水平剛度采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬[4],初始剛度k=GdAr/∑t,屈服力F=μR,屈服后剛度比取10-6。式中:Gd為動剪切模量,取1 200 kN/m2;Ar為橡膠支座剪切面積;∑t為支座橡膠層總厚度;μ為滑動摩擦系數(shù),四氟滑板支座取0.02,板式橡膠支座取0.1;R為支座承擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)重力。
活動盆式支座的水平剛度采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬[4],見圖5。圖5中,初始剛度k=F/xy,屈服力F=μR,屈服后剛度比為10-6。式中:滑動摩擦系數(shù)μ取0.02;屈服位移xy取0.002 m。固定盆式支座的水平剛度采用線性彈簧連接單元模擬,取值108kN/m。
雙曲面摩擦擺式減隔震支座的水平剛度采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬[4,8-9],見圖6。圖6中,初始剛度k=F/Dd,屈服力F=μW,屈服后剛度Kd=W/R。式中:滑動摩擦系數(shù)μ取0.02;W為支座承擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)重力;屈服位移Dd取0.002 m;滑動曲面的半徑R取2 m。
圖5 活動盆式支座恢復(fù)力模型
圖6 擺式支座恢復(fù)力模型
5結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比
方案1和方案2采用的支座屬于普通支座,其幾乎無摩擦耗能的能力,且無自復(fù)位能力。方案3的支座屬于減隔震支座,減隔震設(shè)計(jì)主要是采用柔性支承以延長結(jié)構(gòu)的自振周期,并通過各橋墩共同分擔(dān)地震力,且雙曲面摩擦擺式減隔震支座具有自復(fù)位能力。
本文采用E1非線性時(shí)程分析對3種支座方案橋梁的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行分析時(shí),墩高分別取為15、20、30 m,墩系梁均設(shè)置在墩中部,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值取7條時(shí)程波計(jì)算結(jié)果的平均值[4]。由E1非線性時(shí)程分析可知,結(jié)構(gòu)整體保持彈性狀態(tài),且連續(xù)墩的響應(yīng)比過渡墩的響應(yīng)大。因此,下面以第2個連續(xù)墩的墩底內(nèi)力響應(yīng)和墩頂位移響應(yīng)作為對象來研究3種支座方案橋梁的響應(yīng)規(guī)律。
橋梁的縱橋向剪力、彎矩分別見圖7、圖8。由圖7可以看出,縱橋向墩底最大剪力值均較?。浑S著墩高增加,方案2的墩底最大剪力值相應(yīng)增大。由圖8可以看出,隨著墩高增加,結(jié)構(gòu)剛度減小,同種方案的墩底最大彎矩值均相應(yīng)減?。欢崭咦兓瘯r(shí),方案1和方案3墩底最大彎矩值比較相近,方案2的墩底最大彎矩值最大。因此,墩高較矮時(shí),支座設(shè)計(jì)不建議采用方案2。
圖7 縱橋向剪力
圖8 縱橋向彎矩
橋梁的橫橋向剪力、彎矩分別見圖9、圖10。由圖9、圖10可以看出,墩高較矮時(shí),結(jié)構(gòu)整體剛度較大,且固定盆式支座水平剛度值很大,方案2的墩底最大剪力值和最大彎矩值明顯大于其它方案;隨著墩高增大,普通支座對結(jié)構(gòu)剪力和彎矩的影響變小,方案1和方案2的墩底最大剪力值和最大彎矩值比較相近;雙曲面摩擦擺式減隔震支座的摩擦耗能效應(yīng)比較明顯,方案3的墩底最大剪力值和最大彎矩值最小。另外,由圖9還可以看出,隨著墩高增加,結(jié)構(gòu)剛度減小,同種方案的墩底最大剪力值相應(yīng)減小;對比圖7、圖9,可知橫橋向墩底最大剪力值大于縱橋向墩底最大剪力值。由圖10還可以看出,方案1和方案3的墩底最大彎矩值隨墩高的增加而增加。因此,墩高較矮時(shí),支座設(shè)計(jì)不建議采用方案2,且方案3墩底內(nèi)力響應(yīng)最小,為最優(yōu)方案。
橋梁縱橋向和橫橋向的位移見圖11、圖12。結(jié)構(gòu)在縱橋向相當(dāng)于懸臂結(jié)構(gòu)或排架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)整體剛度較??;而橫橋向結(jié)構(gòu)是框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)整體剛度較大。因此,橋梁墩頂縱橋向最大位移大于橫橋向最大位移。由圖11、圖12可以看出,隨著墩高增加,結(jié)構(gòu)剛度減小,同種方案的墩頂縱橋向和橫橋向最大位移值相應(yīng)增大;對于縱橋向而言,隨著墩高增大,方案1和方案2的墩頂位移比較相近,方案3的墩頂位移最小。由于本次采用的分析地震動加速度峰較小,故墩頂最大值位移差別較小。
圖9 橫橋向剪力
圖10 橫橋向彎矩
圖11 縱橋向位移
圖12 橫橋向位移
由墩底內(nèi)力響應(yīng)和墩頂位移響應(yīng)隨墩高的對比分析可知,方案1適用性較強(qiáng),但支座剛度較小,隨著墩高增加結(jié)構(gòu)響應(yīng)和位移較大;方案2支座剛度較大,結(jié)構(gòu)響應(yīng)較大,且縱橋向采用固定支座墩的響應(yīng)偏大;方案3由于采用減隔震支座,結(jié)構(gòu)響應(yīng)較小,是一個不錯的選擇,但需合理選取支座參數(shù)以免引起高墩橋梁共振。
6結(jié)論
本文針對西部地區(qū)高墩橋梁支座的設(shè)計(jì),采用非線性時(shí)程方法進(jìn)行了分析和研究,并得出以下結(jié)論。
1) 采用板式橡膠支座和四氟滑板支座方案的橫橋向彎矩隨墩高增加而增加,且墩頂位移值較大,橋墩較矮時(shí)此種方案可??;橋墩較高時(shí),結(jié)構(gòu)剛度較小,不建議采用此種支座布置方案。
2) 采用盆式支座和四氟滑板支座方案的結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)總體較大,橋墩較矮時(shí),結(jié)構(gòu)剛度較大,不建議采用此種方案;橋墩較高時(shí)可采用此種支座布置方式,以提高結(jié)構(gòu)整體剛度,減小結(jié)構(gòu)位移。
3) 采用雙曲面摩擦擺式減隔震支座方案減震效果比較明顯,結(jié)構(gòu)響應(yīng)總體較小,但需合理選取支座參數(shù)以免引起橋梁共振。地震烈度較高時(shí),采用此種支座布置方式并同時(shí)設(shè)置限位裝置是一個很好的選擇。
參 考 文 獻(xiàn)
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Research on Design of High-pier Fabricated T-beam Bridges in Southwest Seismic Region
BAI Xiaoyong, LING Hao, WANG Jianjin
Abstract:In allusion to selection of supports of high-pier fabricated T-beam bridges in southwest seismic region, this paper establishes a spatial finite element model for dynamic analysis, and comparatively studies the rules of response of structures when plate type rubber support scheme, pot support scheme and hyperboloid pendulum isolation support scheme change with the height of piers. The results show that the plate type rubber support scheme exhibits strong applicability; the pot support scheme is not recommended when piers are short; and the hyperboloid pendulum isolation support scheme is feasible when seismic intensity is high.
Keywords:earthquake; high-pier fabricated T-beam bridge; support; height of pier; nonlinear time-history wave
文章編號:1009-6477(2016)02-0069-04
中圖分類號:U448.21
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
作者簡介:柏小勇(1989-),男,陜西省寶雞市人,碩士,助工。
收稿日期:2015-11-12
DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.016