安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究

安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究 安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究 第8卷第4期 2011年8月 现代交通技木 ModemTransportationTechnology V0I.8NO.4 Aug.2011 安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究 王勇,汪永兰,王爽 (1.江苏省交通规划院有限公司,江苏南京210005;2.北京迈达斯技术有限公司上海分公司,上海200233) 摘要:在高地震烈度区的桥梁结构,设计时地震力起绝对控制作用.此时如果采取结构本身的"硬抗"不仅增加 设计负担,并且大量浪费原材料.同时增加了经济负担.一般情况下,可采取"延性设计"和"减隔震设计"来达到 减震耗能的目的.该文针对某8度区桥梁,采用国内外较常用的整体型减隔震装置——铅芯橡胶支座对其进行 减隔震设计,计算结果表明铅芯橡胶支座既能延长结构的周期,又能耗散地震能量,具有良好的减隔震效果,是 一 种比较理想的减隔震装置. 关键词:桥梁;抗震性能;铅芯橡胶支座;轴力一弯矩相关屈服面;滞回曲线 中图分类号:U442.55U443.36文献标识码:A文章编号:1672—9889(2011)04—0033—03 ResearchonSeismicPerformanceofBridgewithLeadRubberBearing WangYong,WangYonglan,WangShuang2 (1.JiangsuCommunicationPlanningandDesignInsitituteCo.,Ltd.,Nanjing210005,China ;2.ShanghaiBranchof MIDASInformationTechnology(Beijing)Co.,Ltd.,Shanghai200233,China) Abstract:Seismicforceplaysanabsolutelycontrolroleinbridgesdesigninhighseismicintensityarea.Inthiscase,not onlytheburdenofdesignandeconomicwillbeincreasedbutalsolotsofmaterialswillbewastedbythetraditional designmethod.Generally.thepurposeofdampingcouldbeachievedby''ductilitydesign"and"seismicisolation design".LRBwhichiStheoverallseismicisolationdevicecommonlyusedindomesticandintemationa1.hasbeen appliedtothebridgeindistrict8degreesinthispaper.Theresultsshowthatthestructuralperiodcouldbe extendedandseismicenergyiSdissipatedwithLRB.whichindicatesthatLRBhasbetterisolationeffectthanothers. Ina11.LRBiSanidealseismicisolationdevicewhichcouldbeusedinstmcturedesign. Keywords:bridgeengineering;seismicperformance;leadrubberbearing;yieldsurfacerelatedtotheaxialforceand bendingmoment;hysteresiscurve 1桥梁概况及空间整体模型的建立 某桥跨径6x30in,全桥共2联,前3孔一联,后 3孔一联.上部采用预应力混凝土先简支后桥面连 续T梁.单孔横向5片梁.下部构造:桥墩采用柱式 墩,空心薄壁墩,2.0in,2.2in钻孔灌注桩基础; 0#桥台采用组合式桥台,1.5in钻孔灌注桩基础; 桥台采用柱式桥台.1.7in钻孔灌注桩基础. 根据桥梁结构的总体构造布置.建立全桥动力 特性和地震反应分析的3维有限元分析模型. 主梁,桥墩,横系梁,盖梁和桩模拟采用考虑剪 切变形的3维铁木辛克弹性梁单元,承台本应该是 实体建模,但因为在地震响应计算中,承台主要作 为质量单元参与地震响应贡献,所以承台也作为梁 单元处理,但质量仍然精确反映.主梁采用梁格模 型.较精确地模拟了上部结构的刚度和质量.要注 意的是,在大震作用下,虽然加装了隔震装置,但桥 墩仍很有可能进入抗弯屈服工作阶段,所以必须对 桥墩是否进入抗弯屈服进行判断.如果发现墩身出 现塑性铰.应将墩身改为3维弹塑性梁单元重新进 行分析. 使用分层文克尔土弹簧模型模拟桩基础.将土 层分层离散为文克尔弹簧,离散后的等效弹性支承的 弹簧刚度k,就等于弹性支承作用面积A,(即单元高 度与基础计算宽度的乘积)与地基系数C.的乘积,即 k=AxCo.在离散等效弹性支承时,同一土层可根据精 度需要,将其分成若干部分,但在土层分界处,必须分 开.将每一个分出的部分看成一个弹性支承,其作用 点就在该部分的合力作用点处.据此可得: 作者简介:王勇(1976一),男,安徽马鞍山人,高级工程师,主要从事桥梁设计及研究 工作. ? 34?现代交通技术 K=mb1(0) 式中:K为每层土弹簧的刚度系数;^为每层土的 厚度 依据《公路桥梁抗震设计细则》第6.3.8条,动 力计算时,土抗力的取值比静力大,一般取m动为 2,3倍的m静,本文取2.5m静. 全桥空间有限元模型见图1. 图1全桥空间有限元模型 2铅芯橡胶支座及伸缩缝的模拟 根据分析目的的不同.铅芯橡胶支座大致可分 为2种模拟方式:(1)针对于振型分析,反应谱分析 等线性分析,一般采用具有等效刚度及等效阻尼比 的线性恢复力模型弹簧元;(2)针对于非线性静力 分析,非线性时程等非线性分析.一般采用双线性 恢复力模型(如新西兰MWDCDP8l8/A)或修 正的双线性恢复力模型(如日本桥梁免震条例).国 内外很多学者对铅芯橡胶支座的力学参数进行了 研究,大部分的研究表明(如范立础《桥梁减隔震设 计》,吴彬,庄军生《铅芯橡胶支座的非线性动态分 析力学参数试验研究》,等)其主要力学参数在支座 剪应变时变化趋势明显变缓,而一般在地震作用下 支座剪应变都比较大.所以目前在非线性分析中使 用较多的是常数型双线性恢复力模型. 本次地震响应分析的主要采用非线性时 程分析.所以可以较真实地考虑支座的非线性行 为,支座的水平剪切恢复力模型见图2. , /变岱 , . ./ 图2支座水平方向双线性恢复力模型 mm方形铅芯橡胶支座,厂家提供的支座力学参数 譬_豢量,嚣刚誉 mm )-~/(kN-力 ~ 刷 //k 黻 Nmill 脚 mm ' mill_1) 尼 )))%甘匕/ 450~45330.724-71?1l6?930HD% 在地震作用下.联与联之间的梁体在纵桥向叮 能发生不同步振动.此时梁体间相对压缩位移若是 超过了梁缝的初始间距,两联间的主梁将发生碰撞 引发桥梁的破坏甚至落梁.特别是在加装了隔震支 座桥梁的地震分析时,考虑到梁梁间的纵横向相对 位移比较大,应该考虑梁梁间存在的碰撞可能.在 非线性时程分析时可采用如图3所示的间隙单元 来模拟伸缩缝. / f ? , Gapd 图3伸缩缝单元力一位移关系 3计算结果 依据《公路桥梁抗震设计细则》第3.4条,地震 作用下的效应组合应包括永久作用效应+地震作用 效应,在永久作用效应基础上按照横向1.0+纵向 1.0+竖向0.5的系数同时输入3向人工地震波.如 图4所示. 时间/s 图4人工地震波 转籁莒 第4期王勇,等:安装铅芯橡胶支座桥梁的抗震性能研究?35? 3.1关键截面轴力一弯矩屈服面能力分析 当考虑3向地震力同时作用时,除了竖向地震 荷载会导致双柱墩和桩群轴力发生很大变化外.在横桥向地震力作用下,双柱墩和群桩基础还会因为 "框架效应"也会导致产生很大的轴拉力.所以双柱 墩和桩群也必需通过截面的尸-屈服面来进行判 别,其中屈服面以首根钢筋受拉屈服定义. 截面轴力一弯矩屈服面能力分析的原理是把横 截面按约束混凝土,非约束混凝土,纵向钢筋双向 划分为平面网格,每一网格的中心为数值积分点. 网格的纵向微段即定义为纤维.通过计算每个纤 维的应力,并在断面内进行数值积分,即可求解每 个微段的内力变化过程.此时,只要纤维分得足够 细,材料本构关系正确,计算精度就可满足相应的 要求. 钢筋纤维采用考虑了"Bauschinger"效应和硬化 阶段的修正的Menegotto—Pinto本构.圆形截面钢筋 混凝土纤维一般采用mander本构. 通过验算可以看到,墩柱及桩所有最不利截面 在E2地震作用下其内力P_相关时程点基本都 处于截面P-M屈服面内(偶尔有极少部分内力相关 点超过了屈服面,此时截面的裂缝宽度可能会超过 容许值,但混凝土保护层还是完好.由于地震过程的 持续时间比较短,地震后,由于结构自重,地震过程 开展的裂缝一般可以闭合,不影响使用),所以判断 双柱墩和桩在E2地震作用下均处于弹性阶段内工 作.图5给出了2#墩的最不利截面的验算图示. /.\ 4.o4\面/ \//内力) /3.00E+04-/ /_加E埘<1.00E+04. \ ^埘6.?瑚 图52#墩最不利弯矩截面验算 通过计算还表明.0榉桥台伸缩缝在E2地震作 用下不会发生碰撞,5#桥台伸缩缝在E2地震作用 下的某些特定工况会发生碰撞.所以在构造上两端 部桥台处(特别是5#桥台)伸缩缝需要加橡胶缓冲 吸能垫. 4隔震结构隔震性能评估 对隔震结构的隔震性能评估一般可通过2方 面来表现:(1)隔震结构构件最大内力与非隔震结 构构件最大内力之比;(2)隔震结构基本周期与非 隔震结构基本周期之比.本次分析参考《公路桥梁 抗震设计细则》第10.1.6条,采用第2种评估方法. 隔震结构的基本周期是与隔震支座的等效刚 度密切相关的,而支座的等效刚度又和支座的有效 位移相关.参考平成l4年3月的《道路橘示方害( V耐震毅编)同解税》,支座的有效位移取为支 座整个时程位移中最大值的70%.具体的方法就 是根据非线性直接积分法得到每个支座的顺桥 向,横桥向最大位移结果,然后取每个值的70%作 为有效位移,根据该有效位移再得到每个支座顺 桥向,横桥向方向的有效刚度,最后得到整个结构 的周期,振型. 将所有的隔震支座换成与非隔度结构相同尺 寸的普通板式橡胶支座.其水平剪切刚度应与铅芯 隔震支座的一次刚度相同为4700kN/m,隔震桥梁 与非隔震桥梁同期对比见表2. 表2隔震桥梁与非隔震桥梁周期对比 通过表2可以看出,隔震结构的第1阶周期是 非隔震结构的第1阶周期的1.44倍,而从第2阶周 期开始则增加为1.8倍.到第l0阶周期时,则达到 了2倍.显然,隔震效果非常明显,采用隔震装置后 结构的动力特性性能基本达到《公路桥梁抗震设计 细则》第1O.1.6条的建议值. 5结论 本次研究表明,在高烈度地区的桥梁结构,使 用铅芯橡胶支座进行隔离,吸收和耗散地震能量效 果显着.但要注意的是:(下转第49页) 第4期李思胜:常见桥梁施工控制关键技术?49? (2)同组合箱梁一样,顶面砼必须刮浮浆,压磨(1)板梁铰缝面的凿毛要认真,到位;抗 剪钢筋 收面至终凝,保证浅层砼达设计强度. 3.4放张 (1)砼必须达到设计规定的放张强度时,预应力 筋才能放张.设计没有规定的,按照施工规范执行. (2)放张速度不能过快,必须整体放张,防止钢 铰线的锚固区受损. 3.5起拱度 为保证砼的质量,均匀性,放张8h(变形的滞 后)后,应以塞尺测量跨中和1/4点两侧的起拱度, 并做好记录,若1/4点起拱度差异大.说明砼质量不 均匀,应采取改正. 3.6支座垫石 按JTGD62--20049.7.5条规定.当纵坡不大 于1%时.可不设阶梯形调平式支座垫石,主要是因 为它对板式橡胶支座的耐久性不利. 3.7板梁安装时防止支座脱空的措施 为防止支座脱空.安装时事先准备好略大于板 式橡胶支座外缘O.5mm的薄钢板.在每片板梁安 装就位后,用塞尺测量其脱空点的间隙,将梁吊起, 在该支座底部垫相应的薄钢板,这应该成为规定的 一 道工序.在全桥安装结束后,再用钢筋钩逐个检 查支座是否会被拉出.确保支座不脱空. 3.8铰缝 铰缝的质量差,会造成桥梁不能整体受力,为 此必须采取以下措施防治: 必须按设计绑扎,缺失者必须补足. (2)顶板上预埋的n型钢筋,必须按设计规定 的位置起弯,不允许出现贴梁面起弯的现象. (3)铰缝的砼都必须密实,且强度符合设计要 求,不宜一次性浇筑到顶. 3.9受拉钢筋截面面积 先张法预应力空心板是部分预应力A类构件. 根据规范JTG—D62--2004第9.1.12条强制性条款 的规定:"部分预应力砼受弯构件中普通受拉钢筋 的截面面积不应小于0.003bh."有些设计图纸未作 修改,导致端部梁底产生纵向裂缝,施工中应引起 重视,及时改正. 4结语 本文针对常见的桥梁施工质量问题.对其施工 控制关键技术进行介绍.笔者主要是从质量通病的 角度来谈桥梁施工的控制技术.供广大工程建设者 参考. 参考文献 [1]凌治平,易经武.基础工程[M].北京:人民交通出版社, 2007. [2]姚玲森.桥梁工程.北京[M].人民交通出版社,2008. [3]苏权科,石国彬.桥梁施工监理方法与要点[M].北京:人 民交通出版社.2005. (收稿日期:2011-02—14) (上接第35页) (1)对于安装了减隔震装置的桥梁的下部结构, 在大震作用下也不一定是一定在弹性范围内工作, 一 定要对其进行屈服验算,否则可能需要对其减隔 震装置的性能,安置方式进行调整; (2)对于安装了减隔震装置的桥梁的上部结构, 在大震作用下主梁端很容易因为较大的位移发生 碰撞,此时一定要注意在伸缩缝处设置吸能缓冲装 置,以减小碰撞给上部结构带来的损坏. 参考文献 [1]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2003. [2]黄方,王爽.两种弹塑性梁单元在桥梁地震响应分析中的 研究比较[J].中国西部科技,2009,8(23):31—33. [3]肖波,王爽.桥墩防撞装置碰撞动力学分析[J].武汉理工 大学(交通科学与工程版),2005,29(1):49—51. (收稿日期:2011-03—28)