□文/程永歡

某連續(xù)梁橋抗震加固設(shè)計

□文/程永歡

采用時程分析法，對一座16 m+22 m+16 m三跨普通混凝土連續(xù)梁橋進行抗震驗算；結(jié)果表明：該橋無法滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的抗震要求。采用復(fù)合式金屬阻尼器對其進行抗震加固，采用時程分析方法對加固后的橋梁進行地震響應(yīng)分析；結(jié)果表明：復(fù)合式金屬阻尼器能有效的耗散地震能量，加固后橋梁的抗震能力得到明顯提高，地震響應(yīng)顯著降低，滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的要求。

連續(xù)梁橋；抗震；加固；時程分析；金屬阻尼器；減隔震

橋梁是道路交通的咽喉，是生命線系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)能否在地震中正常運營，直接關(guān)系到抗震救災(zāi)的順利進行。然而，早期建成的一大批橋梁，由于經(jīng)濟、技術(shù)及抗震計算理論等條件的限制，沒有進行比較科學(xué)、合理的抗震設(shè)計，導(dǎo)致無法滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的要求。因此有必要對該類橋梁抗震加固方法進行研究，以保證該類結(jié)構(gòu)的安全可靠性，更好的服務(wù)。

本文基于midas/civil平臺，采用非線性時程分析方法，對一座16 m+22 m+16 m三跨普通混凝土連續(xù)梁舊橋進行抗震驗算并采用復(fù)合式金屬阻尼器對其進行抗震加固設(shè)計。

1　工程概況

本橋修建于2006年，是一座三跨普通混凝土連續(xù)梁橋，跨徑組合為16 m+22 m+16 m，雙幅橋，橋?qū)?0 m。上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室箱梁，采用C50混凝土，其頂板寬12.63 m，厚度為0.25 m，底板寬7.88 m，厚度為0.20 m。下部結(jié)構(gòu)為圓形雙柱墩，采用C35混凝土，截面直徑為1.2 m，墩高分別為6.6、6.9 m。橋梁采用盆式橡膠支座。橋址所在地為二類場地，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.15g。結(jié)構(gòu)安全等級為一級。

2　有限元模型

2.1模型介紹

采用MIDASCivil程序建立本橋的有限元模型。模型中，主梁、橋墩均采用梁單元進行模擬；橋面鋪裝、護欄、橫隔板等荷載以梁單元荷載的形式施加在主梁單元上并將荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量以考慮其對結(jié)構(gòu)動力特性的影響；采用彈簧剛度模型考慮樁土的共同作用。

2.2邊界條件

1）盆式支座，見圖1。盆式支座的滑動方向采用理想彈塑性模型［1～2］模擬，見圖2，支座的相關(guān)參數(shù)依據(jù)規(guī)范的規(guī)定選取。

圖1　支座布置

圖2　盆式支座的滯回模型

2）復(fù)合式金屬型阻尼器，見圖3。

圖3　復(fù)合式金屬型阻尼器滯回模型及模型等效處理

該類型阻尼器在產(chǎn)生小位移時，提供較小且穩(wěn)定的出力，達到設(shè)計位移后，其出力隨著位移的增加而大幅提升，故其滯回模型可以等效為一個彈塑性滯回模型和一個旗幟型滯回模型的疊加。在程序中采用彈簧連接單元串聯(lián)雙線性模型后與一個理想彈塑性模型并聯(lián)的方式模擬阻尼器的滯回特性。其中，彈簧連接單元提供初始間隙，用以模擬阻尼器處于第二剛度時的位移，雙線性模型用來模擬阻尼器“旗幟”部分耗能。

2.3地震動輸入的確定

該橋為B類橋梁，橋址所在地為二類場地，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.15g。根據(jù)規(guī)范要求，選取一條CHICHI地震波、一條人工波和El-centro（東西向）用于時程分析，見圖4。加速度峰值為0.065g（E1）和0.195g（E2）。

圖4　時程分析選用的地震波

3　計算與分析

3.1自振特性分析

橋梁動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎(chǔ)，為計算地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，必須首先進行橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性分析。本橋自振特性分析采用多重利茲方法，為保證振型階數(shù)在計算方向獲得90%以上的有效質(zhì)量［1］，經(jīng)試算取前40階振型。表1中列出了橋梁前5階模態(tài)。

表1　自振特性一覽表

從表1可以看出，該橋基本振型為順橋向?qū)ΨQ彎曲振型，振動頻率為1.177 Hz，說明在地震中發(fā)生順橋向破壞的可能性比較大；橋梁前兩階振型均為水平方向彎曲，橋梁第一階豎向振型出現(xiàn)在第三階，自振頻率為6.297 Hz，說明橋梁豎向剛度較大，橋梁出現(xiàn)水平方向的地震破壞可能性更大。

3.2原橋抗震性能分析

采用時程分析方法，分別計算原橋在CHICHI波、El-centro波（東西向）和人工波3條地震波作用下的地震響應(yīng)，對原橋的抗震性能做出評價。計算結(jié)果表明，在E1地震作用下，原橋墩底內(nèi)力、墩頂位移均可滿足現(xiàn)行規(guī)范［1］要求，因此本文中僅列出E2地震作用的部分分析結(jié)果，見圖5和表2-表3。

表3　E2地震作用下原橋1#墩墩底截面內(nèi)力

表4　E2地震作用下原橋1#墩變形驗算

圖5　E2地震作用下原橋支座變形

根據(jù)規(guī)范［1～2］規(guī)定，取3組地震波計算結(jié)果的最大值作為最終計算結(jié)果。計算結(jié)果表明，在E2地震作用下，1#墩墩底進入屈服狀態(tài)，抗剪承載力不滿足要求；墩底最大塑性轉(zhuǎn)角0.001 46 rad，在容許范圍之內(nèi)，墩頂順橋向最大位移為52 mm，超過容許位移，不滿足規(guī)范要求；支座位移最大值為53 mm，容許位移值為50 mm，支座位移不滿足規(guī)范要求。

綜上，原橋抗震承載能力不滿足要求，需要進行抗震加固以滿足抗震設(shè)計規(guī)范要求。

3.3抗震加固設(shè)計

對于橋梁結(jié)構(gòu)而言，常用的減隔震裝置分為整體型和分離型兩類。設(shè)計擬采用分離型減隔震裝置，利用舊橋原有的板式支座，安裝布置復(fù)合式金屬阻尼器。該類型復(fù)合式金屬阻尼器可在多遇地震下提供遲滯耗能的能力，同時，也可以在罕遇地震下鎖定阻尼器兩點間的相對位移，有效地將地震力傳遞至橋墩（臺）使其產(chǎn)生塑性鉸機制以消散能量，取代傳統(tǒng)的防落梁拉桿。

本橋采用的復(fù)合式金屬型阻尼器的初始剛度約為5×105kN/m，第二剛度為0，第三剛度近似為1×105kN/m（即相對于初始剛度的退化率取0.2），屈服力為200 kN。阻尼器的具體布置方案見圖6。其中每側(cè)橋臺安裝2個阻尼器，全橋共計4個。

圖6　抗震加固方案

采用時程分析法對加固后的橋梁的地震響應(yīng)進行分析，計算結(jié)果見圖7-圖8和表5-表6。

圖7　加固后E2人工波塑性鉸屈服狀態(tài)

表5　加固E2地震作用下橋墩內(nèi)力

表6　加固后E2地震作用下1#墩變形驗算

圖8　加固后E2地震作用下支座變形

計算結(jié)果表明，采用復(fù)合式金屬阻尼器進行加固后，結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)大幅下降。在E2地震作用下，1#墩墩底出現(xiàn)輕微的開裂，但結(jié)構(gòu)基本上處于彈性階段；墩底塑性轉(zhuǎn)角為0.000 326 rad，墩頂位移27 mm，均在容許范圍內(nèi)且有較大富余量；支座最大位移為27 mm，具有較大的安全儲備。

對比加固前后的結(jié)果，可以得到復(fù)合式金屬阻尼器減震率，見圖9。該橋采用減隔震加固設(shè)計后，減震率為31.6%～77.7%，其中對墩底塑性轉(zhuǎn)角的減震效果最為明顯，墩頂位移也有大幅的降低。加固后，該橋可以滿足現(xiàn)行抗震規(guī)范的要求，確保了橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

圖9　減震率分析

4　結(jié)論

1）采用時程分析方法對原橋抗震能力進行分析。E1作用下，原橋1#墩墩底出現(xiàn)了輕微的損傷，但結(jié)構(gòu)基本上處于彈性階段，支座的變形、橋墩內(nèi)力以及變形均滿足相關(guān)規(guī)范的要求；E2作用下，原橋1#墩墩底縱筋屈服，結(jié)構(gòu)進入塑性階段。支座的最大變形超過支座容許位移，1#墩底部抗剪、墩頂位移均不滿足規(guī)范要求。橋梁在設(shè)計地震動作用下極有可能發(fā)生破壞。為保證橋梁在地震作用下的結(jié)構(gòu)安全，需對該橋進行抗震加固。

2）采用復(fù)合式金屬阻尼器進行橋梁抗震加固，對加固后橋梁的抗震能力進行分析。結(jié)果表明，在E1、E2地震作用下，結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)。支座的變形、橋墩內(nèi)力和墩頂位移較加固前都有很大程度的減小，橋梁抗震能力滿足現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)范的要求，加固效果明顯。

3）復(fù)合式金屬型阻尼器不僅可以消耗地震能量、減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，而且能很好的限制梁端位移、減小支座變形；同時復(fù)合式金屬阻尼器可以取代傳統(tǒng)的防落梁拉桿，起到防落梁的作用，確保結(jié)構(gòu)安全。

［1］JTG/TB02-01—2008，公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則［S］.

［2］CJJ 166—2011，城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

U442.5+5

C

1008-3197（2016）03-78-03

2016-01-18

程永歡/男，1989出生，助理工程師，上海市城市建設(shè)設(shè)計研究院天津分院，從事橋梁設(shè)計工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.028