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摘要:旨在对公路桥梁减隔震技术进行介绍,在阐述一般公路桥梁减隔震系统设计流程的基础上,通过实例分析了减隔震系统设计的具体相关环节。
关键词:公路桥梁 减隔震系统 概念 数值 细部结构 设计
中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-001-03
在公路桥梁工程设计中,为了应对地震的影响,一般采用的对策是“抗震”技术的应用,该技术主要从如何为公路桥梁结构提供抵抗地震作用的能力着手。虽说通过“抗震”技术的使用,可以保证公路桥梁结构的安全,但随着地震的发生,公路桥梁结构构件就不可避免的会受到损坏。在通过公路桥梁自身结构设计不能完全抵抗地震影响的情况下,减隔震技术的应用将会弥补其不足。如果说公路桥梁“抗震”技术是比较被动的去抵抗地震影响力,那么减隔震技术则是主动的去减弱、化解地震作用力。
1公路桥梁减隔震系统结构组成
对公路桥梁减隔震系统结构的了解,是对其进行设计分析的一个必要过程,为系统设计阶段能够驾轻就熟的操作打下坚实的基础。公路桥梁减隔震系统主要分为四个组成部分:柔性支承装置、阻尼装置、刚度要求及构造措施。
目前世界上应用最广、实用性最强的柔性支承装置是橡胶支座。主要有以下几种:盆式橡胶支座(PRB)、板式橡胶支座(RB)、分层橡胶支座和铅芯橡胶支座(LRB)。在选择橡胶支座时,除了要考虑其延长周期和增加阻尼外,还应从正常使用条件出发,仔细考虑橡胶支座—些其他参数,如:静力荷载下的变形能力、屈服力、超出设计变形后的性能、变形后的自复位能力、竖向刚度等。要想取得较好的减隔震性能、关键取决于橡胶支座的动力学持性。所以,公路桥梁设计人员在进行减隔震系统设计时,掌握橡胶支座的动力学性能十分重要。此外,还有一些其它柔性支承装置,如滚轴、滑板、缆索悬吊、柔性会管校、基础提离、摆动等,也要根据实际情况加以选择、利用。
阻尼装置在公路桥梁工程中的使用可以通过增加结构阻尼来耗散输入的地震能量,从而控制结构变形,并减小结构的位移及动力加速度。其中,最有效的耗能阻尼装置是滞回阻尼,即利用材料的塑件变形达到耗能的目的。如:悬臂弯曲梁耗能装置、铅纯剪切变形装置、摩擦耗能装置、粘滞阻尼装置及液压摩擦阻尼装置等,可以通过各个装置的滞回曲线,来得知其耗能能力,以便为选择何种阻尼装置提供帮助。
构造措施的采用可以保证减隔震系统正常的发挥其作用。如在温度伸缩缝不能保证支承以上结构拥有较大自由活动空间的情况下,可以采用“碰即脱”桥台顶块这一特殊构造措施在解决此问题。还如,由于采用减隔震技术的结构在地震作用下往往会产生较大的不确定性的位移,就需要设置专门的防落梁装置,以防止地震下发生落梁和碰撞震害。
2公路桥梁减隔震系统设计方法
2.1公路桥梁减隔震系统设计适用条件
并不是所有的公路桥梁结构都适用于减隔震技术,所以要对其适用条件进行分析,以确定何时何地使用减隔震技术。大量研究表明,最适宜进行减、隔震设计的情况主要有以下三种:(1)公路桥梁上部结构为连续形式,下部结构刚度比较大,整个桥的基本周期比较短;(2)桥梁下部结构高度变化没有规则,刚度不均匀,引入减隔震装置可调节各桥墩刚度,因而可以避免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况;(3)场地条件较好,预期地面运动具有效高的卓越频率,长周期范围所含能量较少等情况:
而对于基础土层不稳定,易发生液化的场地;下部结构较柔、桥梁结构本身的固有周期较长;位于软弱场地,延长周期可能引起地基与桥梁共振以及支座中出现较大负反力等情况,不宜采用减隔震技术。
2.2公路桥梁减隔震系统设计实施
根据桥梁减隔震系统设计自身特点,以及我国公路桥梁减隔震设计有关规范,可分为以下三个阶段:概念设计阶段、数值设计阶段和细部构造设计阶段。接下来,就各个阶段主要设计问题进行分析说明。
2.2.1概念设计阶段
在此阶段,设计者所要做的第一件工作就是根据公路桥梁所建场地的地质水文、地震动特性、结构使用条件等实际情况,选择最优的公路桥梁结构形式。同时,还应结合桥梁预期的性能目标,对选定的桥梁结构在不同水准地震作用下的抗震性进行分析比较。而且要非常清楚的了解桥梁结构进入非线性后的性能,并对发生非弹性行为的部位给予合理的规划。在此阶段主要注意以下几个方面的问题。
(1)公路桥梁性能目标确定。根据三水准抗震设计原则,首先要确定不同水准地震作用下的地震运动特性,其次是明确规定对应于每—水准地震作用下的结构抗震性能目标。(2)减隔震装置的布置。在针对减隔震装置的选择方面,在上文已经作了阐述,所以在此对减隔震装置的布置进行分析。一般情况下,减隔震装置的布置位置有两种:一是布置在桥墩顶部,起降低上部结构惯性力的作用;二是设置在桥墩底部.这类似于建筑结构隔震,能较大幅度地降低整个结构的动力响应。
2.2.2数值设计阶段
首先从结合所确定的减隔震支座类型,初步设定一个比较合理的隔震周期相对应的等效阻尼比(如铅芯橡胶支座等效阻尼比可选10%～20%),进而根据一系列公式来得到支座的初步设计参数,随后进行响应的校核,判别是否满足设计要求,如不满足,则对一些参数做适当调整。
(1)此阶段的第一步就是确定橡胶支座的尺寸,一般情况下可根据所选支座类型相关参数,如Q(屈服力,kN)、K1(一次刚度,kN·m-1)、K2(二次刚度,kN·m-1)等,桥台、桥墩竖向支座反应力及使用性能等条件进行确定,在选择尺寸之后,还需要进行校核,以保证支座的正常使用,需要注意的是:支座的选择时不一定只对一种支座类型进行分析计算,一般可预期两种支座方案,以便进行比较分析。(2)高、低水准地震作用下结构响应分折。首先设定高低两个水准,对所选减隔震支座,通过反应谱分析、非线性动力时程分析、能力谱分析等分析方法对桥墩分担的惯性力、支座变形等参数进行计算分析,最终确定选择何种支座。
2.2.3细部构造设计阶段
在减隔震设汁中,要使减隔震装置充分发挥减震耗能的作用,必须使非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置。为了使大部分变形集中于减隔震装置,不仅要使减隔震装置的水平刚度远低于桥墩、桥台、基础的刚度,还要避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服。另外,通常选择将减隔震装置布置在刚度较大的桥墩、桥台处:而为了避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服,应将桥墩的屈服强度设计得稍高于减隔震装置的设计变形所对应的抗力。此外、还应通过提供足够的强度避免在桥台、基础,以及其它连接装置中发生不希望的破坏。
3实例分析
以上分析基本已经涵盖了公路桥梁减隔震系统所有基本设计流程,但具体参数计算及细节处理方面应该参照规范进行,为了深入的了解公路桥梁减隔震系统工序,可通过实例分析加以说明。
3.1公路桥梁工程概况
该公路桥梁为双幅(40+60+40)m的变截面预应力混凝土连续梁桥,单幅桥面宽21 m,主梁采用单箱三室截面,边、中墩截面分别为2.0 m€?.5 m和2.5 m€? m,主梁、桥墩分别采用C50、C30混凝土,原减隔震系统设计方案采用盆式橡胶支座(PRB)。在系统设计步骤上和文章上述的设计流程基本相同,也分为三个阶段。在概念设计阶段,包括减隔震设防标准的确定和支座的选择两个方面;数值设计阶段,首先,确定支座的具体尺寸,其次,该公路桥梁结构支座固有周期分析,最后,对该桥梁减隔震系统进行两个阶段的响应分析;根据工程具体情况,在第三阶段设置伸缩装置和连梁装置。
3.2减隔震设系统防标准的确定
根据规范,可以确定该公路桥梁为B类桥梁,减隔震系统分两阶段进行:第一,在中震(E1)水平下,公路桥梁所有构件均保持弹性;第二,在大震(E2)水平下,结构潜在的塑性区(桥墩的墩底)可以进入有限的塑性状态,而且相应的破坏部位应当便于检查、修复。
3.3支座选择和尺寸确定
通过和盆式橡胶支座(PRB)的比较分析,决定在板式橡胶支座(RB)和铅芯橡胶支座(LRB)中作出选择,并计算出相关参数,以确定具体尺寸,详见表1。
3.4支座固有周期计算分析
对三种支座方案采用空间迭代法对固有结构周期进行了计算,详见表2。通过表2结果可以看出RB和LRB支座方案在延长结构的固有周期方面效果显著,可以远离地震能量集中的频率区段。
为了保证桥梁的减隔震系统能够有效的耗能,需要对该桥梁结构潜在塑性区的弹性状态进行验证。在此,采用有限元程序分对整个桥梁结构进行双向弹性地震反应谱计算分析,三种支座方案的桥墩墩底弯矩响应如下表所示。从表中可以看出,RB和LRB支座方案无论是在横桥向,还是在顺桥向都有4个中墩共同承担水平地震力,墩底处于弹性状态,验证通过。
3.6大震塑性时程分析
在计算大震状况下桥梁结构的内力及位移响应时,采用弹塑性时程分析方法,其结果见图1和表4。通过图1和表4的相关数据,与RB方案比较,LRB支座方案可以通过其滞回性能耗散地震作用力,而且其铅芯的屈服耗能可以有效的控制和降低支座的水平变位。震后无需更换支座,也无需维修桥墩,最终确认选择LRB支座。
3.7减隔震系统其它构造设计
为了适应大的横向变位,可以通过使用具有多向平动、立面及平面旋转功能的LB240模块式梳齿型伸缩装置来解决这一问题。还使用了拉索式连梁装置,它的采用是为了防止由于墩梁之间产生过大相对变位而导致落梁现象的发生。
4结语
从文章的分析可以看出,在减隔震系统理论设计和实际设计操作并不是完全稳合的,也没有明显的界线,三个阶段都很重要,但重点在数值设计阶段,因为一个参数的错误将会导致整个减隔震系统设计功效的缺失,让前阶段的设计作废。在实例分析部分,文章通过比较、检验减隔震系统方案的选择,以达到方案最终确定的目的,也给我们提供了一个良好的减隔震系统方案选择分析方法,并时刻提醒我们要注意数据的计算、分析与验证。
总体来说,文章通过理论阐述和实践分析的结合,使广大公路桥梁设计者对减隔震系统设计有了一个比较全面的了解,但在具体工作中,特别是相关参数的计算还需以众多的工作实际经验为基础,并结合参照相关设计规范,以保证减隔震系统的功效。
参考文献:
[1]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.
[2]JTG/TB02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].
[3]陈虎.桥梁抗震概念设计[J].国外建材科技,2004(2).
[4]刘建新,胡兆同,李子青.桥梁结构减震设计方法研究[J].中国公路学报.2000(4).
[5]JTJ004-89,公路桥梁抗震设计规范[S].
关键词:公路桥梁 减隔震系统 概念 数值 细部结构 设计
中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:1007-3973 (2010) 01-001-03
在公路桥梁工程设计中,为了应对地震的影响,一般采用的对策是“抗震”技术的应用,该技术主要从如何为公路桥梁结构提供抵抗地震作用的能力着手。虽说通过“抗震”技术的使用,可以保证公路桥梁结构的安全,但随着地震的发生,公路桥梁结构构件就不可避免的会受到损坏。在通过公路桥梁自身结构设计不能完全抵抗地震影响的情况下,减隔震技术的应用将会弥补其不足。如果说公路桥梁“抗震”技术是比较被动的去抵抗地震影响力,那么减隔震技术则是主动的去减弱、化解地震作用力。
1公路桥梁减隔震系统结构组成
对公路桥梁减隔震系统结构的了解,是对其进行设计分析的一个必要过程,为系统设计阶段能够驾轻就熟的操作打下坚实的基础。公路桥梁减隔震系统主要分为四个组成部分:柔性支承装置、阻尼装置、刚度要求及构造措施。
目前世界上应用最广、实用性最强的柔性支承装置是橡胶支座。主要有以下几种:盆式橡胶支座(PRB)、板式橡胶支座(RB)、分层橡胶支座和铅芯橡胶支座(LRB)。在选择橡胶支座时,除了要考虑其延长周期和增加阻尼外,还应从正常使用条件出发,仔细考虑橡胶支座—些其他参数,如:静力荷载下的变形能力、屈服力、超出设计变形后的性能、变形后的自复位能力、竖向刚度等。要想取得较好的减隔震性能、关键取决于橡胶支座的动力学持性。所以,公路桥梁设计人员在进行减隔震系统设计时,掌握橡胶支座的动力学性能十分重要。此外,还有一些其它柔性支承装置,如滚轴、滑板、缆索悬吊、柔性会管校、基础提离、摆动等,也要根据实际情况加以选择、利用。
阻尼装置在公路桥梁工程中的使用可以通过增加结构阻尼来耗散输入的地震能量,从而控制结构变形,并减小结构的位移及动力加速度。其中,最有效的耗能阻尼装置是滞回阻尼,即利用材料的塑件变形达到耗能的目的。如:悬臂弯曲梁耗能装置、铅纯剪切变形装置、摩擦耗能装置、粘滞阻尼装置及液压摩擦阻尼装置等,可以通过各个装置的滞回曲线,来得知其耗能能力,以便为选择何种阻尼装置提供帮助。
构造措施的采用可以保证减隔震系统正常的发挥其作用。如在温度伸缩缝不能保证支承以上结构拥有较大自由活动空间的情况下,可以采用“碰即脱”桥台顶块这一特殊构造措施在解决此问题。还如,由于采用减隔震技术的结构在地震作用下往往会产生较大的不确定性的位移,就需要设置专门的防落梁装置,以防止地震下发生落梁和碰撞震害。
2公路桥梁减隔震系统设计方法
2.1公路桥梁减隔震系统设计适用条件
并不是所有的公路桥梁结构都适用于减隔震技术,所以要对其适用条件进行分析,以确定何时何地使用减隔震技术。大量研究表明,最适宜进行减、隔震设计的情况主要有以下三种:(1)公路桥梁上部结构为连续形式,下部结构刚度比较大,整个桥的基本周期比较短;(2)桥梁下部结构高度变化没有规则,刚度不均匀,引入减隔震装置可调节各桥墩刚度,因而可以避免刚度较大桥墩承担很大惯性力的情况;(3)场地条件较好,预期地面运动具有效高的卓越频率,长周期范围所含能量较少等情况:
而对于基础土层不稳定,易发生液化的场地;下部结构较柔、桥梁结构本身的固有周期较长;位于软弱场地,延长周期可能引起地基与桥梁共振以及支座中出现较大负反力等情况,不宜采用减隔震技术。
2.2公路桥梁减隔震系统设计实施
根据桥梁减隔震系统设计自身特点,以及我国公路桥梁减隔震设计有关规范,可分为以下三个阶段:概念设计阶段、数值设计阶段和细部构造设计阶段。接下来,就各个阶段主要设计问题进行分析说明。
2.2.1概念设计阶段
在此阶段,设计者所要做的第一件工作就是根据公路桥梁所建场地的地质水文、地震动特性、结构使用条件等实际情况,选择最优的公路桥梁结构形式。同时,还应结合桥梁预期的性能目标,对选定的桥梁结构在不同水准地震作用下的抗震性进行分析比较。而且要非常清楚的了解桥梁结构进入非线性后的性能,并对发生非弹性行为的部位给予合理的规划。在此阶段主要注意以下几个方面的问题。
(1)公路桥梁性能目标确定。根据三水准抗震设计原则,首先要确定不同水准地震作用下的地震运动特性,其次是明确规定对应于每—水准地震作用下的结构抗震性能目标。(2)减隔震装置的布置。在针对减隔震装置的选择方面,在上文已经作了阐述,所以在此对减隔震装置的布置进行分析。一般情况下,减隔震装置的布置位置有两种:一是布置在桥墩顶部,起降低上部结构惯性力的作用;二是设置在桥墩底部.这类似于建筑结构隔震,能较大幅度地降低整个结构的动力响应。
2.2.2数值设计阶段
首先从结合所确定的减隔震支座类型,初步设定一个比较合理的隔震周期相对应的等效阻尼比(如铅芯橡胶支座等效阻尼比可选10%～20%),进而根据一系列公式来得到支座的初步设计参数,随后进行响应的校核,判别是否满足设计要求,如不满足,则对一些参数做适当调整。
(1)此阶段的第一步就是确定橡胶支座的尺寸,一般情况下可根据所选支座类型相关参数,如Q(屈服力,kN)、K1(一次刚度,kN·m-1)、K2(二次刚度,kN·m-1)等,桥台、桥墩竖向支座反应力及使用性能等条件进行确定,在选择尺寸之后,还需要进行校核,以保证支座的正常使用,需要注意的是:支座的选择时不一定只对一种支座类型进行分析计算,一般可预期两种支座方案,以便进行比较分析。(2)高、低水准地震作用下结构响应分折。首先设定高低两个水准,对所选减隔震支座,通过反应谱分析、非线性动力时程分析、能力谱分析等分析方法对桥墩分担的惯性力、支座变形等参数进行计算分析,最终确定选择何种支座。
2.2.3细部构造设计阶段
在减隔震设汁中,要使减隔震装置充分发挥减震耗能的作用,必须使非弹性变形和耗能主要集中在减隔震装置。为了使大部分变形集中于减隔震装置,不仅要使减隔震装置的水平刚度远低于桥墩、桥台、基础的刚度,还要避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服。另外,通常选择将减隔震装置布置在刚度较大的桥墩、桥台处:而为了避免桥墩屈服先于减隔震装置屈服,应将桥墩的屈服强度设计得稍高于减隔震装置的设计变形所对应的抗力。此外、还应通过提供足够的强度避免在桥台、基础,以及其它连接装置中发生不希望的破坏。
3实例分析
以上分析基本已经涵盖了公路桥梁减隔震系统所有基本设计流程,但具体参数计算及细节处理方面应该参照规范进行,为了深入的了解公路桥梁减隔震系统工序,可通过实例分析加以说明。
3.1公路桥梁工程概况
该公路桥梁为双幅(40+60+40)m的变截面预应力混凝土连续梁桥,单幅桥面宽21 m,主梁采用单箱三室截面,边、中墩截面分别为2.0 m€?.5 m和2.5 m€? m,主梁、桥墩分别采用C50、C30混凝土,原减隔震系统设计方案采用盆式橡胶支座(PRB)。在系统设计步骤上和文章上述的设计流程基本相同,也分为三个阶段。在概念设计阶段,包括减隔震设防标准的确定和支座的选择两个方面;数值设计阶段,首先,确定支座的具体尺寸,其次,该公路桥梁结构支座固有周期分析,最后,对该桥梁减隔震系统进行两个阶段的响应分析;根据工程具体情况,在第三阶段设置伸缩装置和连梁装置。
3.2减隔震设系统防标准的确定
根据规范,可以确定该公路桥梁为B类桥梁,减隔震系统分两阶段进行:第一,在中震(E1)水平下,公路桥梁所有构件均保持弹性;第二,在大震(E2)水平下,结构潜在的塑性区(桥墩的墩底)可以进入有限的塑性状态,而且相应的破坏部位应当便于检查、修复。
3.3支座选择和尺寸确定
通过和盆式橡胶支座(PRB)的比较分析,决定在板式橡胶支座(RB)和铅芯橡胶支座(LRB)中作出选择,并计算出相关参数,以确定具体尺寸,详见表1。
3.4支座固有周期计算分析
对三种支座方案采用空间迭代法对固有结构周期进行了计算,详见表2。通过表2结果可以看出RB和LRB支座方案在延长结构的固有周期方面效果显著,可以远离地震能量集中的频率区段。
为了保证桥梁的减隔震系统能够有效的耗能,需要对该桥梁结构潜在塑性区的弹性状态进行验证。在此,采用有限元程序分对整个桥梁结构进行双向弹性地震反应谱计算分析,三种支座方案的桥墩墩底弯矩响应如下表所示。从表中可以看出,RB和LRB支座方案无论是在横桥向,还是在顺桥向都有4个中墩共同承担水平地震力,墩底处于弹性状态,验证通过。
3.6大震塑性时程分析
在计算大震状况下桥梁结构的内力及位移响应时,采用弹塑性时程分析方法,其结果见图1和表4。通过图1和表4的相关数据,与RB方案比较,LRB支座方案可以通过其滞回性能耗散地震作用力,而且其铅芯的屈服耗能可以有效的控制和降低支座的水平变位。震后无需更换支座,也无需维修桥墩,最终确认选择LRB支座。
3.7减隔震系统其它构造设计
为了适应大的横向变位,可以通过使用具有多向平动、立面及平面旋转功能的LB240模块式梳齿型伸缩装置来解决这一问题。还使用了拉索式连梁装置,它的采用是为了防止由于墩梁之间产生过大相对变位而导致落梁现象的发生。
4结语
从文章的分析可以看出,在减隔震系统理论设计和实际设计操作并不是完全稳合的,也没有明显的界线,三个阶段都很重要,但重点在数值设计阶段,因为一个参数的错误将会导致整个减隔震系统设计功效的缺失,让前阶段的设计作废。在实例分析部分,文章通过比较、检验减隔震系统方案的选择,以达到方案最终确定的目的,也给我们提供了一个良好的减隔震系统方案选择分析方法,并时刻提醒我们要注意数据的计算、分析与验证。
总体来说,文章通过理论阐述和实践分析的结合,使广大公路桥梁设计者对减隔震系统设计有了一个比较全面的了解,但在具体工作中,特别是相关参数的计算还需以众多的工作实际经验为基础,并结合参照相关设计规范,以保证减隔震系统的功效。
参考文献:
[1]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.
[2]JTG/TB02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].
[3]陈虎.桥梁抗震概念设计[J].国外建材科技,2004(2).
[4]刘建新,胡兆同,李子青.桥梁结构减震设计方法研究[J].中国公路学报.2000(4).
[5]JTJ004-89,公路桥梁抗震设计规范[S].