APP下载

减震榫对近场高烈度区大跨铁路连续梁桥抗震性能影响分析

2020-07-28曾永平陈克坚郑晓龙刘力维

铁道标准设计 2020年8期
关键词:屈服桥墩抗震

董 俊,曾永平,陈克坚,郑晓龙,刘力维,庞 林

(中铁二院工程集团有限责任公司, 成都 610031)

引言

川藏铁路东起四川省成都市,向西经雅安、康定、昌都、林芝、山南,终于西藏自治区拉萨。川藏铁路是我国资源开发、旅游开发和巩固国家边防安全的重要战略通道,对国家经济、社会、交通运输、国防安全有着重大意义。为了跨越山高谷深、沟壑纵横的西部山区,铁路多跨高墩非规则连续梁桥被广泛应用在川藏铁路上[1,2],然而川藏铁路(拟建雅安至林芝段)靠近龙门山地震带,穿越甘孜炉霍地震带、雅鲁藏布江地震带等10余条深大活动断裂带[3],川藏线断裂带分布见图1。线路地质构造复杂、深大断裂发育,新构造运动活跃、地震频繁强烈,川藏铁路沿线总体位于高烈度地震区(川藏铁路沿线地震动参数分布见图 2),地震动峰值加速度为0.1g~0.4g,其中PGA≥0.2g占比53.57%。最大PGA为0.4g,主要集中在波密—林芝段和康定—泸定段。

图1 川藏铁路沿线地震断裂带分布

图2 川藏铁路沿线地震动参数分布

此外川藏铁路沿线地震频发,在过去的50年里该区域发生7级以上地震至少20次(川藏铁路沿线区域地震分布见图3),这使得川藏铁路桥梁正面临着近场地震的严重威胁[4],然而我国铁路现行桥梁抗震规范并未提出适用于高烈度区桥梁抗震设计方法以及适用的减震耗能装置[5]。目前部分学者对铁路桥梁减震耗能装置在近断层高烈度区的适应性进行研究,曾永平等[6]提出了一种桥梁用减震榫装置,并研究了该装置对简支梁桥的抗震性能的影响。郑晓龙等[7]对铁路桥梁减震榫设计方法进行了研究,并通过理论与试验研究了卡榫的力学性能,并分析研究了其对铁路桥梁的抗震性能;孟兮[8]提出了减震榫的弹塑性力学计算理论,研究了不同参数对卡榫性能敏感性分析,同时研究了卡榫对铁路简支梁桥的抗震性能。然而,上述研究主要针对中小跨度简支梁、连续梁,且桥址地震烈度均较小,而对于高墩、大跨度非规则连续梁桥,并未开展过减震榫对桥梁抗震性能的研究。

图3 川藏铁路沿线区域地震分布(M≥6,1969-2019)

为研究近断层高烈度区减震榫对典型大跨高墩连续梁桥抗震性能的影响,选取近断层某典型预应力混凝土连续梁桥为研究对象,提出了减震榫的参数设计方法,给出了该桥的减震榫具体设计参数,利用有限元软件开展了近场地震作用下桥梁的地震响应分析,并研究了不同卡榫间隙、屈服荷载对桥梁抗震性能的影响,提出了合理的设计参数,可为川藏铁路近断层高墩大跨连续梁桥的设计与抗震设防提供技术支撑。

1 减震榫装置构造与分析理论

1.1 减震榫装置构造设计

图4给出了减震榫的构造示意,减震榫为高延性软钢圆截面锥柱构造结构,减震榫安装在梁底(或梁腹板侧面)和墩顶之间,卡榫顶部端头往往设计套筒,且套筒内壁与卡榫之间会留有间隙,所以通常称之为间隙金属阻尼器[9]。

图4 减震榫安装示意(单位:mm)

减震榫在冲击荷载和地震下能提供一定刚度,有效限制桥梁横向、竖向、纵向位移;在近场强震作用下,减震榫锥柱构造段是按照“等强度梁”设计原则,将在地震作用下各截面同时进入屈服状态,实现耗能,阻尼循环次数可达数十次,实现地震耗能和防落梁效果[10];具备水平和竖向减震耗能功效,能实现防落梁功能;各构件均可拆卸组装,安装简单方便,同时易于检查、维修和更换[11]。

1.2 减震榫恢复力模型

由国内外的试验研究成果可知,各种软钢类弹塑性耗能器的滞回性能相近,可以采用相同的恢复力计算模型[12]。弹塑性耗能器的恢复力模型主要包括理想弹塑性模型、双线性强化模型和Ramberg-Osgood模型,其中,最理想的弹塑性耗能器数学模型是Ramberg-Osgood模型,由于该模型较为复杂不便用于桥梁结构的非弹性计算分析,减震缓冲耗能防落梁装置的恢复力模型简化为双线型强化模型。

IWAN等[13]对金属9种等效滞回线性方法的计算精度开展对比分析,认为基于割线刚度和耗能的等概率幅值平均的等效线性化方法具有较好的精度。提出了等效线性阻尼和刚度计算公式如下

(1)

(2)

式中,dm为震时阻尼器最大相对位移;c(a)、k(a)和ΔW(a)分别为金属阻尼器的等效线性阻尼、割线刚度和恢复力曲线包围的面积。

当采用双线性模型时,减震榫的等效阻尼和刚度如下

(3)

(4)

式中,ku、dy和α分别是减震榫的初始刚度、屈服位移和第二刚度系数,减震榫恢复力曲线如图5所示。

图5 减震榫恢复力模型曲线

由式(3)可以看出,当卡榫的相对位移小于或等于其屈服位移时,减震榫只给桥梁结构附加刚度而不附加阻尼。当卡榫装置的相对位移大于其屈服位移时,附加阻尼值随着位移值的增大而增大,对应的反应谱曲线逐渐下降,等效刚度逐渐减小,减震榫逐渐发挥耗能的功能。

1.3 减震榫力学性能参数计算理论

由文献[14]研究成果可知,减震榫受力特征与悬臂梁类似,卡榫顶部发生位移w时,其自身的变形及内力分布如图6所示。

图6 装置力学性能计算图示

由弹塑性力学、材料力学、结构力学[15,16]可知:减震榫顶部位移为

(5)

式中,Mu(x)、M(x)分别为单位水平力及水平力F对卡榫的弯矩,即Mu(x)=x,M(x)=Fx。

按照“等强度梁”原则设计卡榫的截面尺寸(图7),则装置顶部的弹性位移w计算式为[17-18]

图7 限位减震装置主体结构形式

(6)

故减震榫弹性刚度可按下式计算得到

(7)

由材料力学计算理论,可得减震榫弹性极限水平力

(8)

则弹性极限位移值为

(9)

在设计减震榫时,可按“等强度梁”设计原则确定截面尺寸,然后调整参数do、H1、H来实现卡榫设计的力学性能。

2 工程实例

2.1 工程概况及有限元模拟

以川藏线某典型铁路高墩非规则连续梁桥为工程背景,大桥全长329.5 m,属特大桥,主桥采用预应力混凝土连续梁。主桥跨径布置为(60+104+60) m,上部结构为变截面连续箱梁,采用C55混凝土,主梁梁高为4.8~8.0 m,梁高按2.0次抛物线变化。各桥墩全部采用圆端形空心截面墩,1号墩为边墩,2号墩为活动主墩,3号墩为固定主墩,1~3号墩采用C40混凝土,1~3号墩高度分别为:46.5,74.0,34 m;各桥墩纵向配筋率分别为:1.47%,0.65%,0.65%。配箍率为1.787%,纵筋和箍筋均采用HRB400级。边墩支座采用TJGZ-LX-Q8000-DX-0.2g型和TJGZ-LX-Q8000-ZX-0.2g型,固定主墩采用TJGZ-LX-Q50000-HX-0.2g型和TJGZ-LX-Q50000-GD-0.2g型,活动主墩采用TJGZ-LX-Q50000-DX-0.2g型和TJGZ-LX-Q50000-ZX-0.2g,地震烈度为8度,地震动峰值加速度为0.2g。全桥布置如图8所示。大桥减震榫设计参数如表1所示。

图8 全桥布置示意(单位:cm)

表1 大桥减震榫设计参数

利用Midas/Civil软件建立全桥模型,采用梁单元模拟主梁,采用塑性铰单元模拟桥墩塑性铰区域,其他区域按梁单元模拟。采用双折线滞回模型[19]模拟减震榫本构关系;采用支座单元模拟活动支座,全桥共122个节点,142个单元。考虑自重、二期恒载及列车荷载等,桩基础采用6个弹簧单元进行等效模拟;地震波输入按照地震安评报告提供的9条近场地震动进行输入分析(多遇、设计、罕遇地震各3条),同时考虑竖向和水平向地震动,按GB 50111—2006(2009年版)《铁路工程抗震设计规范》[20]施加竖向地震动,并根据规范在多遇、设计、罕遇地震对应的3条地震波分析结果中的最大值来进行大桥抗震性能的分析研究。全桥模型如图 9所示。

图9 全桥模型

2.2 减震榫对桥墩地震响应影响分析

图10给出了近断层罕遇地震动作用下采用球型钢支座、球型钢支座+减震卡榫的3号桥墩墩底剪力和弯矩、墩顶位移、支座位移时程曲线。由图10分析可知,相较于无减震卡榫的桥梁,减震卡榫可显著降低桥墩的内力及墩顶位移,以近断层罕遇地震为例(同时考虑水平和竖向地震动作用),非隔震桥梁在罕遇地震作用下墩顶位移为121 mm,采用设计的减震卡榫后,墩顶位移下降到75 mm;非隔震桥梁的墩底剪力为68.1 MN,采用减震卡榫后,墩底剪力下降到42.4 MN;非隔震桥梁的墩底弯矩为2 412 MN·m,采用减震卡榫后,墩底剪力下降到1 485 MN。非隔震桥梁的墩梁相对位移为145 mm,采用减震卡榫后,墩梁相对位移下降到84.5 mm。

图10 有无减震卡榫工况下的时程对比曲线

图11给出了多遇、设计、罕遇地震作用下主墩内力、位移减震率分布。图12给出了1号边墩和2号中墩减震卡榫的滞回耗能曲线。分析可知,2号中墩的内力、位移及主梁梁端位移在小震下减震率达到20%,在中、大近场地震作用下减震卡榫减震率可达35%。这充分表明减震卡榫较好地耗散了地震能量,可以有效地降低桥墩内力并起到限位作用,对高墩大跨度铁路桥梁适应性良好。

图11 主墩各内力、位移减震率分布

图12 各桥墩减震卡榫滞回曲线

2.3 减震卡榫初始间隙对桥墩地震响应的影响

图13分别给出了近场地震作用下减震卡榫不同初始间隙(0~5 cm)条件对应的各桥墩墩底弯矩、墩顶位移减震率分布。由图13分析可知:当减震卡榫初始无间隙时,3号固墩弯矩和位移减震率可达到40%,0 cm间隙工况对3号固墩的减震效果最好,但对其他桥墩的减震效果较差;2号主墩采用减震卡榫初始间隙2 cm对应的减震效果最好,其桥墩墩底弯矩和位移减震率可达30%以上,墩底剪力减震率可达15%。随着初始间隙的逐渐增大,减震卡榫对高墩大跨桥梁结构的减震限位效果不显著。初始间隙的合理性需要综合各桥墩变形和受力情况确定;此外由边墩和中墩卡榫滞回曲线分析可知,边墩卡榫地震作用下耗散的地震能量更多,而中墩由于位移过小,卡榫延性并未完全发挥,故耗能偏低。综合分析可知,减震卡榫初始间隙2 cm时,减震卡榫对各桥墩的减震限位效果较好,能较好地耗散地震能量,保护桥墩构件及限制主梁位移。

图13 不同减震卡榫初始间隙工况对应的桥墩减震率柱状图

2.4 减震卡榫屈服荷载对桥墩地震响应的影响

图14给出了近断层罕遇地震作用下边墩减震卡榫不同屈服荷载(250~1 250 kN)条件对应的各桥墩墩底弯矩、墩顶位移、支座位移减震率分布图。由图14分析可知:随着边墩卡榫屈服力的逐渐增大,2号主墩和3号固墩弯矩、变形对应的减震率也逐渐增加,但卡榫屈服力超过750 kN后减震率增加幅度较低,对于2号主墩和3号固墩,在屈服力为750 kN工况下墩底弯矩减震率达到35%,墩底剪力减震率分别达到15%和34%,墩顶位移减震率达到了36%,墩梁位移减震率达到40%以上,这充分表明减震卡榫可以有效地耗散地震能量,降低地震对高墩大跨铁路桥梁的破坏作用,保护了桥墩构件。综合分析表明:综合考虑经济性、抗震性等因素,边墩减震卡榫屈服荷载取750 kN时,可以有效地降低各墩的内力和位移,保护桥墩不发生地震破坏。

图14 不同减震卡榫屈服力工况对应的桥墩减震率柱状图

3 结论

首先对减震卡榫力学性能计算理论进行了详细的研究,在此基础上针对典型铁路高墩非规则连续梁桥,建立了非规则桥梁有限元模型,分析研究了减震卡榫不同设计参数对大桥地震响应的影响,研究结论如下。

(1)在近场设计、罕遇地震作用下,减震卡榫对墩底内力和墩顶位移的减震率可达35%左右,其能较好地耗散地震能量,有效降低桥墩内力并起到限位作用,减震卡榫对高墩大跨非规则铁路连续梁桥具有良好的适应性。

(2)通过不同卡榫初始间隙工况下全桥模型地震响应分析可知:随着初始间隙的逐渐增大,减震卡榫对高墩非规则连续梁的减震、限位效果不显著,初始间隙的合理性需要综合各桥墩变形和受力情况确定。

(3)通过不同卡榫屈服荷载工况下全桥模型地震响应分析可知:减震卡榫超过一定屈服荷载后,其对高墩非规则连续梁桥的减震效果无明显增加,在设计时应综合比较经济性、抗震性等因素来设计全桥的减震卡榫参数。

猜你喜欢

屈服桥墩抗震
牙被拔光也不屈服的史良大律师秘书
基于RNG k-ε湍流模型的串列双矩形截面桥墩绕流流场特性研究
漾濞书协抗震作品选
关于房建结构抗震设计的思考
桥墩加固方案分析研究
不同截面形式的低配筋桥墩的抗震性能分析
基于ABAQUS自复位桥墩与现浇桥墩性能对比
谈土木工程结构设计中的抗震研究
The Classic Lines of A Love so Beautiful
百折不挠