一个实用及减隔震设计桥梁

1、一个实用及减隔震设计【桥梁】一个实用的减隔震设计摘要：在对桥梁减隔震原理进行分析的根底上，依据连续梁桥在地離作用时受力的特点，对连续梁桥的固定支座 进行 了减隔農设计，将原來的固定支座改为相对固定对该桥在地農荷载作用下的抗農性能分析说明，采取V隔震措施后，固定墩的受力情况得到明显改善，主梁的纵向位移以及梁、墩的相对位移虽有所增大，但即使在8度 的地震荷载作用下，位移幅度仍在支座允许的位移范围内 .关键词：连续梁桥减隔震固定支座相对固定连续梁桥具有结构刚度大、变形小的特点，在我国有着广泛的应用。对连续梁桥 的 空间地震反响分析说明 1,由于连续梁桥一般只设置一个固定墩，在地震荷载作用下，纵桥向的

2、地震荷载的绝大局部均由设置在固定墩上的固定支座来承受，因此 , 固定墩处于 十分不利的受力状态。如果一味要求固定墩满足强度要求、在弹性范围内 工作，不仅是不 经济的，而且也没有必要。本文探讨了一种新颖的作法，即利用减隔 震的根本原理，在不 改变原桥梁主体结构的情况下， 仅对固定支座进行适当的减隔震 设计，以满足 小震不坏、 中震可修、大震不倒 的设计要求。一、减隔震原理延长结构的自振周期可以有效地减小结构的地震加速度反响，从而减小结构由于 地 震所遭受到的地震荷载。对于桥梁结构，釆用橡胶支座、聚四氟乙烯支座以及其他 滑动支 座即瓦到达增加结构柔性、延长结构自振周期的目的。但是，随着结构自振周

3、期的延长，梁体与墩台之间的相对位移也同时增加。为了减小由于结构自振周期延长 而增加的梁墩相 对位移，可以采用增加结构阻尼的方法。加大结构的阻尼，地震引起 的位移反响能得到明 显的抑制 1 。综上所述，减隔震的根本原理为：(1) 采用柔性支承，以延长结构的自振周期，从而减小结构由于地震引起的内力反响；(2 采用阻尼器或耗能装置，以控制由于周期延长而导致的过大的相对位移；(3)具有足够的刚度和强度，以支承正常使用极限状态下的水平力( 如风荷载、 汽车制动力等 ) 。二、工程背景本文以某五跨连续梁桥为工程背景，该桥跨径组合为49. 90+3X80. 00+49. 90(m)。桥址的土质(在地表以下2

4、0.0m范围内)为淤泥、淤泥质亚粘土、粘土和细砂，地基容许承载力。0 130kPa?根据?公路工程抗震设计标准?(JTJ004 8 9)第条规定， 确定该桥场地类别为 IV 类场地上。该连续梁桥的上部结构为两个别离的单箱单室变截面箱梁，主域处梁高4. 5m, 边墩及跨中的梁高均为2. 0m；主墩为变截面空心柱体，边域为排架式撤柱，纵桥向两排，每排3 个实心嫩柱、主梁和桥墩之间采用盆式橡胶支座连接。1. 分析模型该桥的抗震计算采用同济大学土木工程防灾国家重点实验室桥梁抗震学科组编制的程序 NSRAP 进行。考虑到桥墩根底为钻孔灌注桩，墩底位移相对较小，将桥墩固结在墩底会增大结构内力反响，故而适当

5、放大结构周期，将墩延长约 3 倍桩径固结【 3】。桥墩依线弹 性梁单 元来处理。计算中对活动支座考虑其非线性效应，用非线性支座单元处理。采用IV类场方向【 4】。设计根本烈度为 7 度。2. 验算结果对结构进行非线性时程反响分析。计算结果均以一幅计。3. 结果分析1固定支座设计单位设计的盆式支座布置情况为 以一幅计：两边墩分别设置两个 TPZ30 OO-ZX 型盆式橡胶支座，固定墩设置两个 TPZ 15000-GDZ 型盆式橡胶支座，余主墩上 皆各设两 个 TPZ15000-ZX 型盆式橡胶支座。TPZ 15000 - GDZ型盆式橡胶支座为抗震型支座，其竖向承载力为15000kN,可 承受的

6、最大水平力为15000 X 20%= 3000kN,故固定墩墩顶所能承受的最大水平力为6000kNo6度地震荷载作用下，固定墩墩顶所承受的水平力为6455kN,大于其上固定支座 所能承受的最大水平力，固定支座被剪坏。2固定墩对固定墩的钢筋混凝土截面进行弯短一曲率关系分析， 得到其纵向反响及屈服弯 矩。7度和 8度地震荷载作用下，截面的能力 /需求比大于 1,说明固定墩墩底截面发 生塑 性变形，即，在承受一定的轴力作用时，截面所承受的弯矩超过截面屈服弯矩，进入了非线性工作阶段。3解决方案由验算可知，该桥在 6度地震荷载作用下，固定支座己被剪坏，不能满足桥现关 于 小震不坏的设计要求。而且，固定墩

7、在 7度地震荷载作用下的 截面能力/需求比 高达 180.4%,这说明设计根本烈度地震荷载作用下，固定墩的强度已不能满足。 因此， 中震可 修的要求也难以保证。通常遇到这种情况，常采用以下解决方法：1 将原有支座改为符合承载力要求的抗震型橡胶支座；2对桥墩进行延性设计， 将桥墩设计得具有足够的延性， 在控制变形的前提 下， 利用塑性镇来耗能；同时由于塑性较的出现而使结构的根本自振周期延长，从而 减小了地 震所产生的惯性力。本文在进行抗震验算时，该桥主体方案已经确定，并已经开始施工。在这种情况 下， 在不增加工程造价的前提下，采用了第一种方案，即对原有的固定支座进行了再 设计，引 入减隔震概念，

8、以使其满足设计要求。二、减隔震设计1. 设计思路以往在进行抗震设计时，设计师总是过多地强调强度要求，希望采用的支座可以 满 足最大的地震荷载。可是，地震荷载具有很大的偶然性和随机性，正常使用极限状 态下桥 墩所承受的荷载与设计地震荷载时桥墩的受力相比是很小的，以本桥为例仅占 3.23%。由 此可见，假设以设计地震荷载来控制桥墩及支座的设计，在经济上要增加 很髙的投入，同时 桥墩也处于十分不利的受力状态。为此，我们将固定支座设计为相对固定，即在正常使用极限状态和6 度地震荷载 作用下，固定墩保持正常工作，承当汽车制动力和一定的地震荷载；而在超过 6度地 震荷载作 用下，释放固定墩的顺桥向约束，使

9、整个上部结构能够沿纵桥向滑动，从而 延长了结构的 自振周期，以到达减震耗能的效果。2. 设计方案用改造过的 TPZ 15000- ZX 盆式橡胶支座来替找原来的 TPZ 15000- GDZ 盆式 橡胶支座。TPZ 15000-ZX盆式橡胶支座为纵向滑动支座。在 TPZ 15000- 双盆式橡胶支座的纵桥向加限定钢挡板，用承压型高强螺栓使之与支座顶板连接，并提供约束反力。这样，在正常使用极限状态和矿地震荷载作用下 , 支座不 滑动，承受汽车制动力和 ? 定的地震荷载。 当地震水平力逐渐增加， 大于螺栓 设计荷载时， 支座螺栓被剪断，滑动面开始相对滑移。在支座上 lOOinm 处设置抗震 挡块，

10、以限制支座 顶板与底盆的相对位移。(1)钢挡板设计在 TPZ 15000-ZX 盆式橡胶支座的上顶板和下底盆之间加设两块钢挡板。钢挡板 上部 与顶板之间以高强螺栓连接，下部与底盆之间以三面围焊焊缝相连。钢挡板的圆 弧面与支 座钢盆紧贴，外测 i00mm 设抗震挡块。纵桥向的约束力由钢挡板和高强螺 栓共同提供， 螺栓被剪断以后，由抗震挡块来控制顶板和底盆之间的相对位移。(2)高强螺栓设计根据前述减隔震设计思路和支座所需承受的顺桥向水平荷载， 对高强螺栓进行设 计。为保证固定墩免于屈服，以固定墩屈服弯矩对应的水平剪力为设计控制值。固定 墩 在设计轴向荷载作用下，其屈服弯矩为125800kN? m,

11、对应水平剪力为6524kN,每个支座需 提供3262kNo釆用M24, 8. 8级高强螺栓。考虑到桥墩在正常使用极限状态下的平安性，采用 1 8个螺栓。螺栓的实际极限 承载 能力为 16& 82 X 18= 303& 76kN, 小于设计控制值 6. 84% 03. 方案验算在全桥变为纵桥向滑动时，将连续梁简化为只有 7个自由度的平面结构。利用自编程序对该桥进行分析， 6度地震荷载作用下，固定墩墩底截面的内力。8 度地震荷载作用下，固定墩的剪力及弯矩均有大幅度的下降，其中剪力仅为改 造前 的 95.42%,弯矩为改造前的 93.56%,这使得桥墩的平安系数大大提高。同时 , 主梁的纵向位 移及梁。墩的相对位移有所增大，梁体的最大正向位移为 81.4mm,最大负向位移为13. 2mm, 但位移幅度仍在支座的允许滑动范围 00mm以内。四、结论本文根据减隔振原理对连续梁桥的固定支座进行了减隔震设计，结果说明：1在正常使用极限状态和地震荷载作用下，固定墩仍处于弹性受力状态，受 力性能得到明显