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・桥涵工程・摩擦摆支座在桥梁抗震设计中的应用及分析范永芳(中国铁建股份有限公司北京100855)“”摘要介绍摩擦摆式减隔震支座在桥梁抗震设计中的应用,并结合跨511路大桥项目工程中(30+40+30)m连续梁桥,着重介绍了摩擦摆式支座的参数选取及隔震方案设计。根据采用普通支座和摩擦摆式支座两种方案的地震反应对比分析,论证了摩擦摆式支座在桥梁减隔震设计中的效果,并对该类支座在应用中存在的问题作了初步探讨,以供今后类似工程抗震设计参考。关键词桥梁抗震设计摩擦摆式减隔震支座参数选取隔震率抗震措施中图分类号U443.36文献标识码B———文章编号10094539(2014)06002905ApplicationandAnalysisofFrictionPendulumBearingsinBridgeSeismicDesignFanYongfang(ChinaRailwayConstructionCorporationLimited,Beijing100855,China)AbstractCombinedwiththe(30+40+30)mcontinuousgirderbridge“incross511Road”Bridgeprojectengineering,thispaperintroducestheapplicationoffrictionpendulumisolationbearinginbridgeseismicdesign,focusingontheparam-etersselectionandseismicisolationdesignschemeaboutfrictionpendulumbearings.Throughcomparativeanalysisoftheseismicresponseofordinarybearingsandthefrictionpendulumbearings,thispaperdemonstratestheeffectsoffriction—pendulumbeatingsinbridgeseismicisolationandthepotentialproblemsduringtheapplication,whichcanprovidereferencesforsimilarprojectsinthefuture.Keywordsseismicdesignofbridge;frictionpendulumseismicisolationbearings;parameterselection;isolationrate;seismicmetllsure最近二三十年来,全球发生的多次破坏性地震都造成了非常惨重的损失,其中一个重要原因是桥梁结构在地震中遭到严重破坏,导致交通线中断,给救灾工作造成巨大困难。2008年5.12四川汶川大地震中大量构造物的破坏引起了工程界的重视,因此对今后的工程结构抗震设计提出了更高要求。1减震、隔震支座的发展及应用支座是连接桥梁上部结构与下部结构的重要部件,起到将上部荷载可靠地传递给下部结构的作——收稿日期:20140225用。作为承上启下的构件,支座是桥梁抗震的薄弱部位,震害极为普遍。国内外不少学者提出减震、隔震支座的概念,通过在桥梁支座上采取必要的减震、隔震构造,使结构通过上部结构的位移变形消减地震能量,实现结构抗震目标。自汶川地震后,桥梁的减震隔震设计得到重视,我国先后修订了公路、铁路桥梁的抗震设计规程,减震隔震支座成为…高烈度区桥梁抗震设计的一种理念。当前,铁路桥梁上建议可采用的减震、隔震支座主要有:软钢阻尼支座、黏滞阻尼器、速度锁定支…座、铅芯橡胶支座和摩擦摆式支座等。公路及市政桥梁中推荐了3种减震隔震装置:铅芯橡胶支座、铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY2014(6)29万方数据・桥涵工程・’高阻尼橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座旧3J。摩擦摆式减震隔震支座是1985年由美国地震保护体系(EPS)公司研制而成,并首先应用于房屋建筑结构上。摩擦摆是减隔震支座的本质也是摩擦阻尼支座,但是它是依靠两个曲面的摩擦来实现支座的正常功能。通过改变支座球面的曲率半径,可以改变支座的摆动周期,达到预期的隔震周期。通过支座水平运动使重力竖向提升,将动能转化为势能,消耗地震能量。地震后支座在重力作用下,具有一定的复位能力。2工程背景及抗震方案兰州市北环跨511规划路特大桥桥址区位于黄河二级阶地后缘、三级阶地前缘,工程范围内多建筑物、桃园,有乡村道路穿过,交通便利。工程范围内桥梁按地震基本烈度八度进行抗震设计,地震动峰值加速度0.2g,地震动反应谱特征周期为0.45S。桥梁抗震措施按丙类设防。跨511桥位于缓和曲线、圆曲线及直线上,为511规划路并行及跨越深沟而设,桥面总宽度25.5m,无人行道,无中央分隔带,桥梁正交设置。本桥孔跨设置为5×(3×30)+(25+2×30+25)+2×(3×30)+(30+40+30)+3×30+(25+2×30+25)+(30+40+30)+26.5+26.5,全长1202.16m。上部结构采用现浇预应力混凝土箱梁;下部结构采用双矩形墩。图1为其中典型孔跨(30+40+30)m连续梁桥型布置图。因工程位于八度地震区,且市政桥梁对景观有一定要求,下部结构在视觉上需轻盈通透。为实现设计目的,在抗震设计中采用摩擦摆支座解决地震力过大的问题。支座布置如图2所示。施磐||[鹾蓑萋聱施毽豇匪里蔫匠函瑟翌垩璺鞲“匐匡啦垒兰垂电泌坠Q卫亟虱扩一广场图2支厘布置图3结构分析及抗震评价3.1地震动参数(1)反应谱参数根据《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ—1662011)按照丙类设防,参数列于表1【3J。表1地震动参数设计地震动峰值地震作用地震调整系数ci场地特征周期%加速度AEl0.20.460.45E20.22.000.50(2)时程曲线地震波采用临近工程的安全评估报告提供的地震波,如图3所示(仅示一条)。计算用E1、E2地震作用下的加速度时程曲线根据加速度峰值调整得出。3.2摩擦摆支座选取及参数在进行摩擦摆式支座设计时,首先应计算拟隔1x3000+1x4000+lx3000预应力砼f后张)连续箱粱!辞2塑z十!Q业十z!!z0§QMF.160型伸缩缝oQMF.160型伸缩缝552.549N@影≥嘿5¨90);;;;i翌墅:塑!y11I!望j:!!!FuJ图1桥型布置图震结构的自振周期,按照隔震周期延长一倍以上初步确定球摆的曲率半径,设计摩擦摆式支座的各项参数,对桥梁结构进行在模拟地震波作用下的时程分析,得出隔震效果。根据分析中支座的地震最大位移,确定球形摆座的外径。经反复试算调整取得最合理的结构尺寸。计算模型见图4E卜7。。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY201416)万方数据坦!羹:!:i时间/S图3加速度曲线(原始)F/少搁n一支座位移I”././图4摩擦摆支座的滞回模型图4中,肛为动摩擦系数;形为竖向荷载;Kl为初桥涵工程・始刚度,K,=gW/D,,D,=2.5nun;如为摩擦摆支座等效刚度,k=W/R+I.tW/D;R为曲率半径,R=警;r为摩擦摆系统的隔震周期,T=2斗1T‰;为摩擦摆支座屈后刚度,^k=W/R;D,、D。分别为屈服位移与极限位移。摩擦摆式隔震支座的等效阻尼比为13刖。49,WD2肛P珊2订D【(罟)D+肛W】耵D/R+l比摩擦摆式隔震支座的最大水平力为F=号D+肛形(sgnD)根据上述公式计算出本工程中采用的摩擦摆支座主要参数列表于2。表2摩擦摆支座参数支座方竖向静摩擦动摩擦系数支座滑动等效刚度/等效阻尼re,/滑动前刚度/摩擦系数变化摩擦面曲滞后循滞后循型号向力/kN系数低速高速位移/mm:kN・m一1)(kN・s・nl一1)(kN・m一1)参数(s・m叫)率半径/m环参数a环参数bX8000O.030.085O.062002977.78O.261.00E+07204.5O.50.5—F1)sY8Ooo0.030.0850.062002977.78O.261.00E+07204.5O.50.5GD8.0Z80000.030.0850.0601.00E+071.00E+07204.50.5O.5X8000O.030.085O.062002977.78O.261.20E+03204.50.5O.5—Fl】sY8000O.030.085O.062002977.780.261.00E+07204.5O.5O.5ZX8.OZ8000O.030.085O.06O1.00E+071.00E+07204.5O.50.5X80000.03O.0850.062002977.780.261.00E+07204.5O.50.5—n,SY80000.030.0850.062002977.78O.261.20E+03204.50.5O.5HX8.0Z8000O.030.085O.06O1.OOE+071.00E+07204.5O.50.5X80000.03O.0850.062002977.780.261.20E+03204.5O.50.5—FPSY8000O.030.085O.062002977.78O.261.20E+03204.5O.50.5SX8.OZ8000O.030.085O.0601.00E+071.00E+07204.50.5O.5n丐一X200000.030.085O.062007444.44O.261.OOE+07204.50.5O.5GDY20000O.030.085O.062007444.44O.261.00E+07204.50.50.520.OZ20000O.03O.0850.0601.00E+071.00E+07204.5O.50.5—FPSX200000.030.0850.062007444.44O.263.00E+03204.5O.50.5ZXY200000.030.0850.062007444.44O.261.00E+07204.50.5O.520.OZ20000O.030.085O.06O1.00E+071.OOE+07204.50.5O.5—FPSX200()0O.030.085O.06200744J4.440.261.00E+07204.50.5O.5HXY20000O.030.0850.062007“444.0.263.00E+03204.50.50.520.0Z20000O.030.085O.0601.ooE+071.00E+07204.5O.50.5—FPSX20000O.030.085O.062007444.44O.263.ooE+03204.50.5O.5SXY20000O.030.085O.062007“4.440.263.00E+03204.50.5O.520.0Z20000O.03O.085O.06O1.OOE+07】.OOE+07204.50.5O.53.3结构分析模型桥梁动力分析模型采用Midas建立,全桥共429个节点,408个单元,32个边界单元。摩擦摆支座采用一般连接里的摩擦摆隔震装置模拟,模型见图5。铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY2014(6131万方数据SS-S.0图5动力分析模型3.4结构动力特性(见表3)表3结构自振特性对比采用普通盆式支座采用摩擦摆支座侠^墨7频率周期/s振动形式频率周期/s振动形式2号桥墩顺l0.442.29O.323.1l主梁横向扭转桥向弯曲桥墩横桥向21.380.720.323.10桥到顿桥向弯曲弯曲主梁横向31.570.640.342.94桥墩横桥向弯曲扭转3号桥墩顺1、4号桥墩顺43.500.293.73O.27桥向弯曲桥向弯曲4号桥墩顺1、4号桥墩顺53.58O.283.730.27桥向弯曲桥向弯曲1号桥墩顺主梁一阶对称63.58O.283.800.26桥向弯曲竖弯主梁一阶3号桥墩顺桥73.800.263.880.26对称竖弯向弯曲主梁一阶2号桥墩顺桥85.400.193.950.25对称横弯向弯曲主梁二阶主梁一阶对称95.81O.175.39O.19反对称竖弯横弯主梁二阶106.200.165.59O.18桥墩横桥向弯曲对称竖弯3.5减隔震效果分析为考察摩擦摆支座隔震效果,对结构分别采用普通盆式橡胶支座和摩擦摆支座进行分析,并进行对比。制动墩(2号墩)顺桥向的地震反应及隔震效果列于表4,各墩横桥向的地震反应及隔震效果列于表5。表4制动墩顺桥向隔震效果墩El地震E2地震△口项目WAVEWAVEWAVEWAVEWAVEWAVE号—l一2一3—l一2一3墩顶位普通支座615856226215207移/mm摩擦摆支座21212277778l2号隔震率65.6%63.8%60.7%65.9%64.2%60.9%墩墩底普通支座28313268082594l1045269921795769右弯矩/柱(kN・m)摩擦摆支座9757971310233360203594837778隔震率65.6%63.8%60.6%65.5%63.8%60.6%注:隔震率=(普通支座一摩擦摆支座)/普通支座【3]。动墩顺桥向的隔震效率可以达到60%以上,能够有效地降低地震反应中制动墩的受力。在横桥向,边墩的隔震效率明显优于中墩,边墩可达60%一70%,中墩仅为35%-45%。表5桥墩横桥向隔震效果墩El地震E2地震厶项目WAVEWAVEWAVEWAVEWAVEWAVE口号—l一2一3—l一2一3墩顶位普通支座1313134718491秘:/mm崦擦摆支座454152016号隔震率69.2%61.5%69.2%68.1%58.3%67.3%墩墩底普通支座742676287615274142823228113右々W柱(kN.m)障擦摆支座253332292702935lll9499974隔震率65.9%57.5%64.5%65.9%57.7%64.5%墩顶位普通支座131414495l5l2移7mm峰擦摆支座798273228号隔震率46.2%35.7%42.9%44.9%37.3%45.1%墩墩底普通支座83538708861230837322283l792右々E7柱(kN.m)障擦摆支座501658074897185162l49318079隔震率39.9%33.3%43.1%40.0%33.3%43.1%墩顶位普通支座131414505l5l3移7一峰擦摆支座898293430号隔震率38.5%35.7%42.9%42.0%33.3%41.2%墩墩底普通支座863989848886318943324932805右’m7柱(IcN.m)障擦摆支座537462635246198402318219366隔震率37.8%30.3%41.0%37.8%30.0%41.0%墩顶位普通支座1313134849504移7mm峰擦摆支座454151916号隔震率69.2%61.5%69.2%68.8%61.2%68.O%墩墩底普通支座761477837794281102880428773右々E7柱(1【N.m)障擦摆支座2523321826879315ll9lO9921隔震率66.9%58.7%65.5%66.9%58.7%65.5%4结论及问题探讨(1)采用摩擦摆支座的抗震方案能够有效减小制动墩顺桥向的墩顶位移及墩底弯矩。(2)摩擦摆支座能在一定程度上改善桥墩横桥向的墩顶位移及墩底弯矩,但顺桥向隔震效果好于横桥向,边墩横向隔震效果明显好于中墩。并且对于横向来说,因各墩分担地震力,即便不采用隔震措施,也较易满足抗震性能要求。从以上表格对比分可以看出摩擦摆支座对制32铁道建笳技术(3)在E2地震下支座发生较大位移,为保证隔RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY2014f6J万方数据・桥涵工程・震效果需设置较大底座。为减小支座平面尺寸,可…设计成双摆锤式摩擦摆支座。(4)因隔震桥梁在地震反应下位移较大,相邻上部结构之间应设置足够的空隙,以适应梁体位移。桥梁的其他抗震措施不得妨碍桥梁的正常使用及减隔震装置作用的发挥。(5)对于在E2地震下较大的纵向位移,在地震效应下是否会造成相邻桥梁的碰撞需进一步分析确定,在构造处理上应设置防落梁装置,以确保安全。如何使各种抗震装置协调作用互不干扰是抗震设计的一个关键点。参考文献[1]庄军生.桥梁减震、隔震支座和装置[M].北京:中国铁道出版社,2012.——●———・-4--卜-一一卜---4---t---卜一-+_[2]中华人民共和国交通运输部.JTG/T——B02012008公路桥梁抗震设计细则[s].北京:人民交通出版社,2008.[3]中华人民共和国住房和城乡建设部.CJJ—1662011城市桥梁抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.[4]叶爱军,管仲国.桥梁抗震[M].第二版.北京:人民交通出版社,2012.[5]中华人民共和国交通运输部.JT/T—8522013公路桥梁摩擦摆式支座[S].北京:人民交通出版社,2013.[6]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.[7]陈惠发,段炼.桥梁工程抗震设计[M].北京:机械工业出版社,2008.(上接第23页)A为预应力钢绞线的截面面积(mm2);n为一束预应力钢绞线的根数。3.2.3混凝土施工中跨合龙段的混凝土采用C55微膨胀混凝土,为了保证在低温环境下浇筑的混凝土质量,采取了拌和用水加热、混凝土罐车包裹、模板喷涂保温材料、埋设测温线、电暖器供热保温养护等措施。合龙梁段混凝土浇筑要求在一天中气温最低℃(实际合龙温度为一1)时间段内快速、连续浇筑,所以现场提前做好各项准备工作和当地气温的收集,顺利完成了中跨合龙段混凝土的浇筑。3.2.4预应力及管道压浆施工由于受低温的施工条件限制,底板预应力管道保温较难,预应力管道压浆后可能会造成冻胀,容易出现质量隐患,因此经建设单位组织会议研究分析,并经设计单位按原计算模型对中跨合龙段底板预应力钢束张拉阶段和张拉应力进行了调整,其计算结果为:中跨合龙口锁定时,使用0.玑。的锚下张拉控制应力张拉中跨合龙束2T21和2DO,中跨合龙后,按0.2L。张拉其余D0、D1一D13钢束,得出冬季停工期间中跨产生下挠变形约6mm,成桥后线形与原设计相比,边跨上拱、中跨下挠,量级约9.9mm,能满足连续梁结构安全和线形要求。根据设计提供的建议性方案,并结合施工实际情况,现场对中跨合龙束DO~D13共44束纵向预钐}道建筠技术RAILWAYCONSTRUCTIONTEHNOLOGY应力钢束(见图3)进行了临时张拉,且临时张拉的锚下控制应力采用0.玑。,待来年温度适宜时重新—按设计应力对DOD13预应力钢束进行了张拉,张拉前对钢绞线、锚具的腐蚀情况及钢绞线的滑丝、断丝情况进行了逐一排查,并及时完成了管道压浆,然后拆除临时张拉束T21。张拉、压浆程序及工艺与悬臂浇筑段相同。网网图3纵向预应力钢束布置4结束语京津城际延伸线跨津秦客专特大桥跨津秦客专128m连续梁中跨合龙段施工,通过采取调整预应力钢束张拉阶段和张拉应力的措施,使连续梁顺利安全合龙,并为同类连续梁施工遇特殊情况致低温条件下合龙提供了成功经验。参考文献[1]中铁三局集团有限公司.TZ—3242010铁路预应力混凝土连续梁(刚构)悬臂浇筑施工技术指南[S].北—京:中国铁道出版社,2010:4750.2074r6J33万方数据
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