弹塑性钢减隔震支座在桥梁抗震设计中的应用

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44世界桥梁2015，43(5)弹塑性钢减隔震支座在桥梁抗震设计中的应用高山。，彭泽友一。史春娟。，王永祥。·。(1．中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安710075；2．西安中交土木科技有限公司，陕西西安710075；3．西安市桥梁安全技术及装备工程实验室，陕西西安710075)摘要：为了给桥梁抗震设计提供参考，以减轻桥梁结构在地震中遭受的损伤，介绍一种弹塑性钢减隔震支座(NDQZ)的结构特点及其减隔震原理，并以(83+140+83)m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥为实例进行减隔震分析。采用有限元分析软件SAP2000建立全桥有限元模型，在E2地震状态下分别进行非减隔震支座桥梁和NDQZ支座桥梁地震动力时程分析。结果表明：NDQz支座可实现全桥协同抗震，减隔震效果良好；采用NDQZ支座后，桥梁前3阶自振周期平均延长133，在顺桥向和横桥向墩底弯矩分别减小了4O和83，墩底剪力分别减小了39和7o；承台底弯矩分别减小了39和74，承台底剪力分别减小了34和6O；弯矩和剪力分布均匀。关键词：桥梁；抗震设计；减隔震支座；动力时程分析；弯矩；剪力中图分类号：U441．3；U442．55文献标志码：A文章编号i1671—7767(2O15)05—0044—051引言弹塑性钢阻尼元件结合，并在结构上设置限位装置，地震是对人类社会危害极大的突发性自然灾满足了支座的转动与滑移分离要求。分别将该减隔害，地震灾害中桥梁工程是生命线系统工程的关键震支座与非减隔震支座应用到实际桥梁中，采用动组成部分，在抗震救援及灾后重建中发挥着关键作力时程分析方法对2种支座在桥梁中的应用效果进用。各国学者对桥梁抗震理论和抗震措施进行了大行对比分析。量研究，结果表明：桥梁减隔震设计最为有效的方法是引入减隔震装置。减隔震装置一方面是利用柔性2NI)QZ支座结构及减隔震原理结构延长结构周期来减小地震力；另一方面是利用2．1NDQZ支座结构减震装置的耗能来控制由于结构周期延长而导致的NDQz支座按照功能可分为4类，即固定支座位移[1]。针对减隔震设计技术，国内外学者开展了(GD)、横向活动支座(HX)、纵向活动支座(ZX)和大量研究并取得了显著成果l2]。减隔震支座是目双向活动支座(SX)。以NDQz固定支座(见图1)前桥梁结构中主要的减隔震装置，按体系可分为橡和双向活动支座(见图2)为例，支座主要包括三大胶类隔震体系、滑动摩擦体系_7]和弹塑性钢耗能体部分，即：球型钢支座本体、减隔震组合装置和锚固系]。由于橡胶类隔震支座竖向承载力有限，在水连接构件。球型钢支座本体是新式球型钢支座。减平荷载作用下的稳定性较差；滑动摩擦体系支座在隔震组合装置由两部分组成，一部分是非线性阻尼地震力作用下，沿曲面的滑动会导致梁体抬升，对上辐与导向板构成的导向耗能组件，其中非线性阻尼部结构的稳定性不利。因此，利用弹塑性钢变形耗辐对地震能量起到耗散作用；另一部分是限位板和能原理来达到减隔震效果的弹塑性钢支座成为了研限位耗能螺栓组成的限位耗能组件，其中耗能螺栓究的热点。在地震作用下可耗散地震能量。锚固连接构件由上为了克服现有减隔震装置的诸多不足，综合考下锚杆、套筒和锚固螺栓等组成，分别将支座锚固于虑正常、常遇地震、少遇地震及罕遇地震的抗震需主梁和墩台上。NDQZ支座适用于高烈度地震区求，实现水平力多级设防的目标，本文介绍一种弹塑的公路桥梁及市政、铁路桥梁工程。性钢减隔震支座(NDQZ)，该支座将球型钢支座与从NDQz支座的结构可知：该支座将正常使用收稿日期：2O15—04—23基金项目：交通运输部科技项目(2011—318—495—580)；陕西省重点科技创新团队计划(2013KCT-20)；陕西省自然科学基础研究计划重点项目(2013JZ017)；陕西省科学技术研究发展计划工业攻关项目(2012GY2—24)作者简介：高山(1974一)，男，高级工程师，2000年毕业于重庆交通学院桥梁工程专业，工学学士(E—mail：GaoShan@vCivil．corn)。 弹塑性钢减隔震支座在桥梁抗震设计中的应用高山，彭泽友，史春娟，王永祥45横桥向位装置实现，支座结构处于弹性工作阶段，支座满足因制动力、温度、收缩徐变等荷载作用下的常规活动位移。(2)E1地震状态：限位装置及支座本体处于弹塑性工作阶段，限位装置极限情况下产生微小的变形，但不会影响支座的正常使用；水平活动位移达到支座设计位移，限位装置将支座滑动方向限位，此时块活动支座与固定支座共同分担水平荷载，减小了固定支座的受力。非线性阻尼辐(3)E2地震状态：支座本体处于弹性工作阶段，运动方向的限位装置被剪断，非线性阻尼辐进入工作阶段并发生较大的塑性变形，但未断裂，通过往复位移摩擦和阻尼来耗散地震能量。NDQZ支座在锁定有限位移、降低地震反应的同时，可有效防止上部落梁，确保大震时桥梁交通不中断。图1NDQZ固定支座综上所述，NDQZ支座具有“逐级设防、分级耗能，位移锁定、协同抗震”的特点。3桥梁抗震设计实例为了验证NDQZ支座在桥梁中的减隔震效果，以(83+140+83)in双塔双索面预应力混凝土矮塔斜拉桥为实例进行抗震设计。该桥双幅布置，主梁为变截面箱梁形式，桥塔高3112"1，塔梁固结，塔墩分块离，下部结构采用柱式桥台，桥台基础为钻孑L灌注桩基础。桥区内地震动峰值加速度为0．2g，地震动反非线性阻尼辐应谱特征周期0．45S，对应抗震基本烈度为Ⅷ度。该桥桥梁支座布置原则为：固定支座宜设置在整联桥中部；活动支座布置应满足桥梁正常活动位移需求。图3为非减隔震支座的布置，其中，13号墩设置GD、HX盆式支座，12号、14号、15号墩设置ZX、SX球型支座，支座采用普通抗震类型的球型图2NDQZ双向活动支座支座。图4为采用NDQZ支座的布置，其中，l2号、的转动面和滑动面进行分离设计实现摩擦耗能，其_I。2—30000一SX—e200／30JPZ—i10000-~一e30JQZ～ii0000一SX-e120／30JQZ一30000-SX—e300／30四周布置的非线性阻尼辐元件的牵制作用达到防落左4-————一卜一—————梁效果，通过非线性阻尼辐弹塑性变形及耗能螺栓右二二．==}芒．二二．剪断耗能实现多级设防的结构设计目标。地震后只l『qZ一30000一ZX—e200JPZ—llO000-GDJOZ—ii0000一ZX—el20JQZ一30000一ZX-e30012号13号14号15号需更换限位装置和弹塑性钢阻尼元件，维修养护方便。NDQZ支座采用非线性阻尼元件避免了E型图3桥梁非减隔震支座布置示意阻尼元件因连接处的复杂受力状况引起的应力集中破坏，提高了支座的抗疲劳性能，具有优异的减隔震性能和防落梁功能。姜三三‘E．三三J~LkL,)-JUUULr2．2NDQZ支座减隔震原理NDQZ支座减隔震原理如下。(1)正常使用状态：支座水平力的传递通过限 46世界桥梁2015，43(5)15号墩设置JQZ隔震型支座，13号、14号墩设置NDQZ支座设计参数如表1所示，NDQZ支座的屈NDQz支座。服位移为33mm，一次刚度为97．80kN／mm，二次根据桥梁结构设计及抗震设防烈度需求，刚度为3．84kN／mm。表1NDQZ支座设计参数表2桥梁结构前1O阶自振周期及振型4桥梁减隔震分析非减隔震支座NDQz支座阶次4．1分析模型周期／s振型周期／s振型减隔震桥梁抗震分析可采用反应谱法、动力时程法和功率谱法[9’1。本文采用非线性动力时程分析方法研究NDQz支座的减隔震性能。采用有限元分析软件SAP2000建立全桥有限元模型(见图5)，采用三维梁单元模拟主梁、桥墩及桩基，横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量，桩底固结，采用参数计算的等价土弹簧刚度模拟桩土作用；桥塔与主梁固结，采用多段线性塑性随动强化模型(Kinematic)来模拟桥梁支座，实现主梁与桥墩的连接。在E2地震状态下分别进行非减隔震支座桥梁和NDQz支座桥梁地震动力时程分析。图5全桥有限兀模型4．2分析结果顺桥向弯矩／kN·m横桥向弯矩／kN·m(1)结构自振周期对比。表2为分别使用非减墩号非减隔震支座NDQZ支座非减隔震支座NDQZ支座隔震支座和NDQZ支座时，桥梁结构的前10阶自12号35938振周期和振型。13号212956由表2可知，采用NDQZ支座与非减隔震支座14号99455相比，可有效延长结构自振周期，其中第1阶自振周15号36347期延长67，第2阶自振周期延长118，第3阶自表4墩底剪力振周期延长2149／6，前3阶自振周期平均延长顺桥向剪力／kN横桥向剪力／kN墩号——133。同时，从振型可以发现，采用NDQZ支座可非减隔震支座NDQZ支座非减隔震支座NDQZ支座有效改善桥梁结构的变形状态，特别是改善了桥塔12号的变形。13号14号(2)结构内力对比。对采用非减隔震支座和采15号用NDQZ支座的桥梁内力进行比较分析，提取12号～l5号墩关键部位的顺桥向和横桥向弯矩和剪承台底弯矩和剪力对比结果。力，表3、表4为墩底弯矩及剪力结果，图6、图7为结果表明：NDQZ支座与非减隔震支座在桥梁 弹塑性钢减隔震支座在桥梁抗震设计中的应用高山，彭泽友，史春娟，王永祥47Ⅲ．委＼静厦蜷鼙撇珊啪∞蚰分别减小了39和74，承台底顺桥向和横桥向剪力分别减小了34％和60；使用NDQZ支座的桥梁在横桥向和顺桥向方向上，墩底和承台底的弯矩和剪力分布都较非减隔震支座桥梁情况均匀。5结论(1)基于多级设防的NDQZ支座通过对常规12号l3号14号l5号球型支座本体进行改进，创造性地融人减隔震组合桥墩编号(a)顺桥向装置(限位板与耗能螺栓、阻尼辐与导向板等构件)，2O0集合了球型钢支座与弹塑性钢耗能的优点，满足多60级设防需求，提高了结构抗震能力。(2)采用NDQZ支座后，可有效延长结构自振12o周期，前3阶自振周期平均延长133。墨80冁(3)NDQz支座可有效减少桥墩承受的弯矩和蜒40剪力。在顺桥向和横桥向墩底弯矩分别减小了4O和83，墩底剪力分别减小了39和7O；承12号l3号14号l5号桥墩编号台底弯矩分别减小了39和74，承台底剪力分别(b)横桥向减小了34和6O。图6承台底弯矩(4)NDQZ支座使桥墩顺桥向和横桥向承受的16000地震力较均匀，可实现全桥协同抗震，减隔震效果良好。12000参考文献：8000旧蜷E13胡聿贤．地震工程学I-M]．北京：地震出版社，1988．鼙4000E23范立础，王志强．桥梁减隔震设计EM3．北京：人民交通出版社，2001．l2号l3号15号E33庄军生．桥梁支座r-M3．北京：中国铁道出版社，2008．桥墩编号[4]杨喜文，李建中，雷昕弋．多孔大跨度连续桥梁减隔震技(a)顺桥向术应用研究[J]．中国公路学报，2010，23(6)：58—65．200E53李贞新，刘高．基于减隔震设计的大跨度连续梁桥抗160震性能评价[J]．公路，2011，(1)：14O一143．、E63董擎．基于摩擦摆支座的城市大跨连续梁桥减震性能-R120研究[J]．世界桥梁，2014，42(6)：46—49．羹80[7]许莉，祁皑．多跨混凝土连续梁桥隔振措施研究40EJ3．桥梁建设，2014，44(2)：32—37．E83颜学渊，张永山，王焕定，等．三类三维隔震抗倾覆支座l2号13号l4号15号力学性能试验研究[J]．振动与冲击，2009，28(10)：49—桥墩编号53．(b)横桥向E93汝海峰，张茜．公路桥梁的抗震设计方法研究与计算图7承台底剪力实例[J]．公路交通科技，2014，28(1)：32—37．抗震中的效果相比，墩底顺桥向和横桥向的弯矩分Elo3宁京，戴建国．港珠澳大桥的非线性地震响应分析别减小了40％和83％，墩底顺桥向和横桥向剪力分_J]．长安大学学报(自然科学版)，2011，30(6)：31—别减小了399／6和7O9／6；承台底顺桥向和横桥向弯矩35． 48世界桥梁2015，43(5)ApplicationofElasto。-PlasticSteelSeismicIsolatorstoBridgeAnti_-SeismicDesignGAOShan1,2,3。PENGZe—you'，SHIChun-juan，。¨．WANGYong—xiang'’。(1．CCCCFirstHighwayConsultantsCo．，Ltd．，Xian710075，China；2．CCCCCivilEngineeringScience8LTechnologyCo．，Ltd．，Xian710075，China；3．XianEngineeringLaboratoryofBridgeSafetyTechnology8LEquipment。Xian710075，China)Abstract：Toprovidereferenceforbridgeanti—seismicdesignandreducethedamagethatbridgesuffersinearthquakes，thestructuralfeaturesandprinciplesofvibrationmitigationandiso—lationofakindofelastoplasticsteelseismicisolators(NDQZ)isintroduced．Atwo—pylonpres—tressedconcretecable～stayedbridgewithspanarrangementof(83+140+83)mandwithdoublecableD1anesiscitedasanexampletOconductvibrationmitigationandisolationanalysis．ThefiniteelementsoftwareSAP2000wasusedtoestablishthefiniteelementmodelofthewholebridge，tocarrvouttime—historyanalysisofthebridgewithbearingsincapableofvibrationmitigationandiso—lationeffectandthebridgewithNDQZundertheE2earthquakeconditionrespectively．There—suItsoftheanalysisindicatethattheNDQzbearingscanrealizetheeffectofthewhole—bridgecol—laborativevibrationresistance，displayingsoundvibrationmitigationandisolationeffect．WhentheNDQzbearingsareused，thefirstthreeordersofbridgenaturalvibrationperiodaveragelyex—tends133．Thebendingmomentsinthebaseofthepiersalongthebridgelengthandwidthre—duce40and83respectively，andtheshearingforcereduce39and7o％，respectively．Thebendingmomentsinthebaseofthepilecapsreduce39and74，respectivelyandtheshearingforcereduce34and6O，respectively．Thebendingmomentandshearingforceareuniformlydistributed．Keywords：bridge；antiseismicdesign；seismicisolator；dynamictime—historyanalysis；ben—dingmoment；shearingforce(编辑：赵兴雅)