轨道交通桥梁球形支座抗震分析研究.pdf

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第2期（总第191期）No.2(SerialNo.191)2017年4月CHINAMUNICIPALENGINEERINGapr.2017DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2017.02.030轨道交通桥梁球形支座抗震分析研究12邵兵，宋力勋（1.天津滨海新区投资控股有限公司，天津300451；2.天津市市政工程设计研究院，天津300451）摘要：针对一条位于高烈度震区的轨道交通标准段桥梁，按照能力保护思想对球形支座的地震水平力进行详细计算分析，确定支座的设计水平承载力。该水平承载力需达支座竖向承载力的64%～80%，已超过绝大多数球形支座产品标准。根据计算和分析，发现按能力保护原则计算的水平力与E1地震下的支座水平力大致成正比，二者比值约为2.7。关键词：轨道交通桥梁；球形支座；抗震分析；地震水平力中图分类号：u443.36文献标志码：a文章编号：1004-4655（2017）02-0099-03历次地震的惨痛教训表明，桥梁作为生命线工结构为30m混凝土简支现浇箱梁，单箱单室，桥程的重要组成部分，一旦在地震中发生严重破坏，宽9.4m。桥墩为独柱花瓶墩，墩高4～20m。基造成巨大的经济损失和社会损失。从2008年汶川础采用直径1～1.2m的钻孔灌注桩群桩基础，桥地震以来，桥梁抗震问题受到越来越多的重视，而梁结构断面见图1。支座抗震是桥梁抗震中的重要部分。在支座布置方面，简支梁一端采用2个固定球球型支座是目前应用最为广泛的支座形式之型钢支座，另一端采用2个纵向活动球型钢支座，一，球型支座通过设置球面摩擦副，使支座灵活转吨位均为3500kN。2个固定支座承受顺桥向地震动，在克服球冠钢板与球面聚四氟乙烯板的滑动摩力，4个支座共同承受横向地震力。支座平面布置擦后支座即发生转动，其转动力矩的大小与转角无如图2所示。关，适应多向大转角的桥梁[1]。它既具备盆式橡胶9400支座承载能力大、位移大等特点，又能更好地适应26001700支座大转角的需要，因而被广泛应用于公路桥梁、300市政桥梁及轨道交通桥梁。2500800800h对于高烈度震区的轨道交通桥梁，球形支座需要承受很大的水平力。根据延性抗震体系的能力保-2800h护原则，支座的水平力取决于桥墩的尺寸和配筋。因而，研究支座的水平力需求，首先必须对墩柱尺寸和配筋进行精细化设计。本文以一条位于高震区固定型球支纵向活动型球支图1现浇箱梁断面图图2支座平面布置示意图的轨道交通高架线为例，先进行桥墩的精细化设计，然后对球形支座进行抗震分析和研究，最终确抗震分析计算采用工程实例桥址的地震参数，其定支座的设计水平力需求。地震动加速度反应谱曲线可分为3段：周期0～t11工程背景为直线上升段，周期t1～tg为平台段，周期tg以天津市滨海新区轨道交通z2线为滨海新区的后为幂函数下降段，其一般表达式为轨道交通骨干线，高架桥梁段22.1km。桥梁上部t/t10＜t≤t1t1≤t≤tg（1）tgt＞tg收稿日期：2017-01-152式中：a0=pga/g，pga为地面加速度，cm/s，g第一作者简介：邵兵（1970—），男，高级工程师，本科，2主要从事桥梁建设管理工作。为重力加速度，cm/s；η为阻尼调整系数；amax为99 邵兵，宋力勋：轨道交通桥梁球形支座抗震分析研究2017年第2期地震影响系数最大值；t为结构自振周期；tg为特E1抗震强度以及线刚度等计算，尽可能优化截面尺征周期；γ为下降段的衰减指数。对于结构阻尼比寸。经过墩柱截面精细化设计后，墩柱尺寸和配筋为0.05时，η取1，γ取0.9。反应谱参数见表1。见表2。在桥墩精细化设计的基础上，进行塑性铰区的表1工程场地地表反应谱参数值峰值加速度amax/弯矩-曲率分析，分析采用MIDaS-2012程序进概率水平-2α0t1/stg/sαmaxγηcm·s行计算，塑性铰区混凝土的本构关系采用Mander50a63%710.0720.10.550.1650.91模型，钢筋的本构模型采用双折线模型。桥墩的极50a10%2050.2080.20.760.5380.91限弯矩结果见表2。50a2%3570.3640.31.031.0580.91100a63%1050.1070.10.600.2480.91表2墩柱的尺寸、配筋及塑性铰截面的极限弯矩50a2%4500.4590.31.091.3770.91顺桥向极限弯横桥向极限弯墩高/m墩柱尺寸/m墩柱配筋矩/kN·m矩/kN·m根据《中国地震动参数区划图》（2015）和工42.4×1.922@101689221795程地震安评报告，工程的地震基本烈度为8度，对62.4×1.928@102361129784应的场地类型为Ⅳ类。E1地震作用下的反应谱曲82.4×1.925@10×23222340860102.4×1.932@10×24667759890线见图3。122.6×232@10×25428070334142.8×2.228@10×253328678950.240360.22036162.8×2.232@10×266431842830.20036183.2×2.628@10×275810931680.18036203.2×2.628@10×275810931680.160360.140362.2支座地震水平力计算0.12036频谱数据0.10036按照能力保护原则，支座的水平力设计值应取0.08036墩柱塑性铰区截面超强弯矩对应的剪力，超强系数0.060360.04036取1.2。桥梁顺桥向和横桥向的支座水平力计算值0.020360.010.511.011.512.012.513.013.514.014.515.015.516.01见表3和图4。周期/s表3现浇箱梁支座水平力计算图3地震反应谱曲线顺桥向横桥向2支座抗震水平力需求计算墩高/超强单个支支座水平力单个支支座水平力超强弯矩/m弯矩/座水平与竖向承载座水平与竖向承载轨道交通标准段桥梁一般选用延性抗震体系，kN·m力/kN力比值kN·m力/kN力比值墩底作为延性耗能部位，支座作为能力保护构件[2-3]。42027025340.722615416350.47根据能力保护方法的相关公式（见式2），支座的水62833323610.673574114890.4383866824170.694903215320.44平力设计值取决于墩底的截面尺寸和配筋。因此，研105601228010.807186817970.51究支座的地震力，首先对墩柱尺寸和配筋进行精细化126513627140.788440117580.50设计。146399422850.658147414550.42m167971724910.7110114015800.45u（2）189097225270.7211180215530.440式中：v为地震水平力需求；φ为截面超强系数；209097222740.6511180213980.40mu为墩底塑性铰区极限弯矩；n为支座数量，h由上述图表可知，不同墩高情况的支座顺桥为悬臂墩高度。向水平力设计值为2223～2800kN，达到支2.1桥墩的精细化设计与塑性铰区的弯矩-曲率分析座竖向承载力的64%～80%；支座横桥向水平综合考虑精细化设计要求和施工便捷性与美观力设计值为1368～1868kN，达到支座竖向性，根据工程情况将桥墩尺寸划分几种类型,根据承载力的39%～53%。之所以支座顺桥向地震墩高分为4档：≤10m、11～13m、14～16m、水平力大于横桥向，是由于每个墩位顺桥向地17～20m。震力由2个支座承担，但横桥向地震力由4个支为满足精细化要求，对每种桥墩尺寸进行静力、座承担。100 邵兵，宋力勋：轨道交通桥梁球形支座抗震分析研究2017年第2期0.90.90.80.80.70.70.60.60.50.50.40.40.30.30.20.20.1顺桥向横桥向0.1按能力保护计算的支座水平力支座水平力与竖向承载力比值0.04567891011121314151617181920支座水平力与竖向承载力比值0.0E1地震下的支座水平力墩高/m4567891011121314151617181920墩高/m图4现浇箱梁支座水平力与竖向承载力比值图530m简支梁的支座水平力需求在实际工程中，支座的竖向承载力为3500kN，从图表可以看出，按能力保护原则计算的支座为便于设计施工，将固定支座和单向活动支座的水平设计水平力比值为0.6～0.8，E1地震下的支座水承载力均设计2个档次：固定支座为2450kN（70%）平力比值为0.2～0.3，两者大致成正比关系，比和2800kN（80%），单向活动支座为1575kN（45%）值约为2.7左右，这和上述理论分析结果相吻合。和1925kN（55%）。目前国内市场上应用较为广泛这个规律对于高烈度地区桥梁的初步设计和支座的的球型支座产品均无法达到这一承载力要求，因而需初步选型具有实用意义：在桥梁支座的抗震计算要开发具有高水平承载力的抗震型支座。该新型支座中，E1地震下的水平力计算是较为容易的，而按通过上座板翼缘的优化设计、锚栓的变截面设计、以能力保护原则的水平力计算是十分复杂的。因而在及新型耐磨板的采用，在不增大支座尺寸和用钢量的得到两者之间的比例后，通过E1地震的计算结果前提下，大大提高支座的水平承载力（最大可达竖向初步估算支座的设计水平力需求，从而进行初步的承载力的100%），从而满足高烈度地区桥梁的抗震支座选型与设计。需求。但是由于桥墩设计的复杂性，按能力保护原则3支座水平力需求的影响因素及影响规律计算的支座设计水平力曲线呈现锯齿状，使2条曲由式（2）可以看出，支座的水平力设计值取线之间的比例关系有所波动，这也和理论分析结果决于墩高h、承担水平力的支座个数n、以及墩底是一致的。塑性铰区的极限弯矩mu3个因素。其中极限弯矩4结语mu又取决于桥墩尺寸和配筋，而尺寸与配筋按照1）支座的抗震设计与桥墩的尺寸和配筋有很静力计算的强度与刚度要求、E1地震状况的强度大关系，因而在支座抗震设计前，应对墩柱进行精进行设计。细化设计，选定优化合理的尺寸和配筋。一般情况下，E1地震状况的强度计算是控制桥2）依托工程的30m跨轨道交通简支梁，固定墩尺寸和配筋的最主要因素，即墩底塑性铰区的极限支座的地震水平力达到竖向承载力的64%～80%，弯矩mu大致正比于E1地震下的墩底弯矩mE1。如此单向活动支座的地震水平力达到竖向承载力的推导，按能力保护原则计算的支座水平力需求v支正39%～53%。这一水平承载力需求已超过目前市比于支座在E1地震下的水平力v支E1，如式（3）所场上的绝大多数球形支座产品的水平承载力标准。示。但是，E1地震状况的强度计算并非控制桥墩尺3）按能力保护原则计算的支座设计水平力和寸和配筋的唯一因素，桥墩线刚度要求、最小配筋E1地震下的支座水平力大致是成正比关系，两者率要求等也会影响桥墩尺寸和配筋，因而v支和v支之间的比值大约为2.7。E1也不是正比关系。vv0mumE1vE1hvE1支（3）nnhnhn参考文献：以依托工程的30m简支现浇箱梁为例，按能[1]庄军生.桥梁支座[M].北京：中国铁道出版社，2000.力保护原则计算的支座水平力需求和E1地震下的[2]城市桥梁抗震设计规范：CJJ166—2011[S].支座水平力之间的关系见图5。[3]城市轨道交通结构抗震设计规范：GB50909—2014[S].101