钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响.pdf

收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()中国博士后科学基金面上项目()江西省科技厅科学基金面上项目()江西省科技厅科学基金青年项目()作者简介:田钦()男讲师博士研究方向为桥梁抗震、钢桥疲劳 通信作者:康彩霞()女讲师博士研究方向为结构抗震:.田钦霍振坤刘康等.钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响.南昌大学学报(工科版)():.()():.钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响田钦霍振坤刘康康彩霞(.南昌大学工程建设学院江西 南昌.华东交通大学土木建筑学院江西 南昌)摘要:通过在每一滑动支座附近设置含橡胶缓冲装置的钢挡块将邻梁间的集中碰撞转移到钢挡块内的多点碰撞达到有效减小集中碰撞引起桥梁震害的目的 基于梁格法和纤维单元采用 编程软件建立三维曲线梁桥模型其中钢挡块和橡胶缓冲装置均考虑了碰撞过程中的能量损失 基于非线性时程分析法研究橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能的影响 研究结果表明缓冲装置依靠缓冲作用最大能减小.的碰撞力、.的墩顶漂移率、.的主梁最大位移以及减小墩底最大弯矩和曲率等抗震性能评价指标且厚度越大效果越明显关键词:缓冲装置钢挡块碰撞损坏碰撞能量损失抗震性能中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.:在过去几十年里发生的大地震中曲线梁桥的支座发生脱空、移位损坏其中 年日本阪神地震曲线梁桥中超过 的钢支座遭受损坏 曲线梁桥动力特性复杂受双向地震力作用明显其地震反应不对称在伸缩缝处产生纵横向耦合位移易引起伸缩缝处的碰撞损坏及落梁破坏 梁体落梁时如果撞击桥墩还会引起桥墩的碰撞破坏地震中邻梁的碰撞力不仅会引起碰撞区域的局部损坏还会把碰撞力效应传到桥墩底部引起桥墩底部弯剪损坏甚至导致全桥倒塌 基于地震中曲第 卷第 期 年 月 南昌大学学报(工科版)().线梁桥支座损坏、落梁破坏和桥墩震害国内外专家开展了减隔震措施的研究 目前减震方法主要有调节伸缩缝宽度、安装限位装置、在碰撞位置安装缓冲装置以及设置隔震支座等 虽然调节伸缩缝宽能减小邻梁间碰撞力但在满足伸缩缝正常使用功能的前提下减小程度非常有限 限位装置虽然能在一定程度上减小墩梁间相对位移预防落梁震害但一般仅仅安装在伸缩缝处安装位置少地震中受力大装置本身容易损坏 为了减小邻梁间的碰撞损坏研究者将缓冲装置设在伸缩缝处的梁体端部依靠橡胶材料的缓冲特性减小梁体间较大的碰撞力但是减小程度有限 在建筑工程领域通过在电梯轿厢四周设置缓冲装置以缓冲其与电梯井壁的碰撞 隔震支座虽然能减小梁体的位移适用于新建桥梁但不适用于设置了钢支座的既有桥梁为有效避免支座的过大位移和减小邻梁间较大碰撞力引起的其他震害本文通过在既有桥梁的每一滑动支座附近设置钢挡块(图)将邻梁间的集中碰撞转化为多点双边碰撞 为了进一步减小钢挡块内的刚性碰撞力及其引起的桥梁结构加速度和速度脉冲缓冲装置被设置在钢挡块内并分析缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能的影响 研究成果可为我国采用多点安装钢挡块以及橡胶缓冲装置的减震措施提供理论依据钢牛腿支座钢挡块()安装示意图钢挡块的上部缓冲装置钢挡块的下部()三维图图 钢挡块和缓冲装置.曲线梁桥有限元模型.全桥三维有限元模型工字型钢板组合梁桥施工速度快装配化程度高与预应力混凝土桥相比没有收缩徐变和预应力损失特别适用于跨径为 的曲线梁桥 本文基于 编程软件建立如图 所示的典型曲线梁桥模型该桥全长 每跨 由一跨 简支梁和三跨 的连续梁组成简支梁和连续梁之间设置 宽的伸缩缝 上部结构采用工字型钢板组合梁、分别表示曲线梁从内侧到外侧的 根主梁沿曲线梁桥切向每 设置一道横隔板 本文采用 软件编写的桥梁抗震计算程序其计算结果已经与多种有限元商业软件(如、)的计算结果进行了对比并验证了该程序计算结果的准确性固定支座滑动支座钢挡块B1B3支座编号P1P2桥墩编号G1G3主梁编号连续梁S2简支梁S1B3B1B2G1G2G3P2P1YZX()曲线梁桥三维有限元图固定支座滑动支座钢挡块编号桥墩编号D1D4P1P5P1P2P3P4伸缩缝单元节点P5()曲线梁桥有限元立面图图 曲线梁桥有限元模型.下部结构采用中空的钢箱截面桥墩墩高 截面尺寸考虑了钢板不发生局部屈曲的宽厚比钢材和混凝土的密度分别为 、钢材的弹性模量为 屈服强度为 塑性区域的硬化系数为.钢桥墩采用纤维单元在钢桥墩顶部的横桥向用一根刚度极大的梁来传递主梁与钢桥墩之间的相互作用如图()所示全桥采用钢支座(含固定支座和滑动支座)简支梁和连续梁的最左边设置固定支座()其他位置设置滑动支座()固定支座在切向径向全部固定滑动支座在径向固定切向自由移动且切向考虑库仑摩擦力.钢挡块与缓冲装置的碰撞模型如图()所示在每一个滑动支座附近的桥墩顶部和梁体底部之间设置钢挡块其切向设置净距离径向固定 图 为钢挡块及缓冲装置模型 本文第 期 田钦等:钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响采用如图()、()所示的修正 模型模拟钢挡块内的碰撞现象并考虑碰撞中的耗能过程钢挡块碰撞模型的计算公式如下:/且()()()式中:为碰撞力 为碰撞刚度 为钢挡块上、下部间相对位移为钢挡块上、下部间初始间隙为阻尼系数为阻尼比和 分别为梁体与桥墩的质量 为钢挡块除去初始间隙后的相对位移Fd0d0dd0:钢挡块初始间距()钢挡块本构模型d0CKCKd0AB()钢挡块双边碰撞模型dFS3KS3FFS2FS1KS5KS1KS2KS4()缓冲装置本构模型图 钢挡块及缓冲装置模型.橡胶缓冲装置考虑了碰撞过程中的能量耗散其本构关系如图()所示计算公式如下:.()式中:为碰撞阶段刚度、分别为碰撞第一、二、三阶段的刚度 和 分别为橡胶缓冲装置的压缩量和最大压缩量即厚度 分析方法 本文采用时程分析法分析曲线梁桥的抗震性能分析过程考虑材料和几何非线性 在 时刻增量有限元运动方程如下:式中:为桥梁结构的质量矩阵 为桥梁结构的阻尼矩阵 为桥梁结构的刚度矩阵为桥梁结构的加速度为桥梁结构的速度 为桥梁结构的位移增量为地震波加速度材料非线性基于梁柱单元的双线性弹塑性本构关系并考虑单轴屈服准则和随动应变硬化准则常加速度的 逐步积分法被用于运动方程的积分运算 为了考虑几何非线性和材料非线性在每一积分步计算中有限元运动方程中的刚度矩阵均被更新积分步长为.桥梁结构阻尼采用 阻尼阻尼比为.因为阪神地震的竖直、水平方向均有震幅烈度强卓越周期比较接近建筑物的自振周期对城市破坏大所以选取如图 所示的日本鹰取火车站()和日本气象厅神户观测所()记录的 年发生在日本的阪神地震 考虑到本次研究对象是曲线梁桥不能忽略横桥向的地震响应所以采用的是三维地震波 图 中的()、()和()分别代表南北(顺桥方向)、东西(横桥方向)和上下(竖直方向)分析工况 本文研究橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能的影响表 为不同厚度的橡胶缓冲装置的力学参数其中 表示无缓冲装置共分为 个分析工况 计算结果.钢挡块内碰撞力图 为钢挡块()的最大碰撞力其他墩顶钢南昌大学学报(工科版)年/()/()图 输入地震波.表 不同厚度的缓冲装置的力学参数./()/()/()/./()/()图 钢挡块()的碰撞力时程图.()第 期 田钦等:钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响挡块的碰撞力规律与 类似 可知橡胶缓冲装置的厚度越大钢挡块上的最大碰撞力越小 在 和 作用下厚度为 的橡胶缓冲装置分别能减小.、.的碰撞力 在碰撞过程中橡胶缓冲装置能依靠延长碰撞时间有效减小发生在钢挡块内的双边碰撞力且碰撞频率也相应减小其中较大厚度的橡胶缓冲装置能在地震中较早地发挥缓冲作用也是碰撞力较小的原因之一.墩顶漂移率墩顶漂移率是评估桥墩是否受损的重要指标文献认为墩顶漂移率 大于 桥墩产生了不可修复的严重损伤 图()所示在 作用下没有设置橡胶缓冲装置时墩顶漂移率大于 而其他工况下桥墩的损伤均小于限值缓冲装置为 时最大能减小.的墩顶漂移率 当橡胶缓冲装置的厚度小于钢挡块净距离的一半()时墩顶漂移率随着厚度的增加迅速减小当橡胶缓冲装置的厚度大于钢挡块净距离的一半时墩顶漂移率减小的趋势变缓 图()所示在 作用下墩顶漂移率呈现出与 作用下相似的变化趋势图 为墩顶的最大漂移率 其变化趋势与图 所示的墩顶漂移率相似 另外因为固定支座的水平力小于钢挡块上的碰撞力所以 的墩顶漂移率和最大漂移率均小于其他墩顶的值()()图 墩顶漂移率.()()图 墩顶最大漂移率.梁体位移梁体的位移时程如图 所示在 地震波作用下没有设置缓冲装置()时简支梁()和连续梁()的最大位移分别为.、.缓冲装置厚度为 时、的最大位移均为.与设置缓冲装置比分别减少了.、.在 地震波作用下没有设置缓冲装置时、的最大位移分别为.、.缓冲装置厚度为 时、的最大位移分别为.、.与没有设置缓冲装置比分别减小了.、.另外由图可知梁体的最大位移决定梁体的残余位移 橡胶缓冲装置减小梁体最大位移和残南昌大学学报(工科版)年余位移的程度随着厚度的增大而增大/()/()图 梁体(和)的位移时程图.().钢桥墩底弯矩与曲率关系墩底的弯矩和曲率也是反映地震中桥墩是否损伤的重要指标图 为钢桥墩底弯矩曲率图其中/为 号桥墩沿 方向的墩底弯矩与墩底屈服弯矩之比、分别是 号桥墩沿着 和 方向的弯矩 由图可知钢桥墩底沿顺桥向()和横桥向()的最大曲率及最大弯矩都较大 个方向均有损伤 随着缓冲装置厚度的增加 个方向的最大弯矩及曲率均逐渐减小 缓冲装置能有效减小墩底顺桥向和横桥向的弯矩和曲率起到一定的保护第 期 田钦等:钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响支座的作用并减小地震震害墩底顺桥向的曲率比横桥向的大M4X/MyM4X/My/M4Y/MyM4Y/My/()M4X/MyM4X/My/M4Y/MyM4Y/My/()图 墩底弯矩曲率图.伸缩缝的宽度伸缩缝的张开位移会影响车辆的通行性能是桥梁典型震害形式之一 图 为地震作用下伸缩缝宽度的时程图其中正号表示张开方向负号表示合拢方向红虚线表示钢挡块的净距离 在 和 作用下伸缩缝均呈现张开位移 随着橡胶缓冲装置厚度的增大伸缩缝张开位移的最大值和残余值均逐渐减小缓冲装置能有效减小伸缩缝的宽度 因此设置橡胶缓冲装置有利于减小桥梁震害降低经济损失南昌大学学报(工科版)年/()/()图 伸缩缝宽度的时程图.结论 基于安装了多点钢挡块以及橡胶缓冲装置的典型曲线梁桥模型分析橡胶缓冲装置厚度对桥梁抗震性能的影响得到如下结论:)橡胶缓冲装置能延长钢挡块上、下部间的碰撞时间减小碰撞频率和碰撞力且缓冲装置的厚度越大减小碰撞力的效果越显著)橡胶缓冲装置能减小墩顶漂移率和主梁的最大位移设置固定支座桥墩的墩顶漂移率小于设置钢挡块的墩顶漂移率且随着缓冲装置厚度的增加墩顶漂移率和主梁的最大位移越小)橡胶缓冲装置能有效减小墩底顺桥向和横桥向的弯矩和曲率随着缓冲装置厚度的增加 个方向的最大弯矩及曲率均逐渐减小 墩底顺桥向的损伤比横桥向的损伤大 橡胶缓冲装置还能有效减小伸缩缝的宽度且厚度越大减小程度越大参考文献:.:.():.(/):.杜修力韩强李忠献等.汶川地震中山区公路桥梁震害及启示.北京工业大学学报():.范鑫徐略勤孙榕徽.平面弯梁桥地震响应特征与抗震对策研究.地震工程与工程振动():.():.():.():.(下转第 页)第 期 田钦等:钢挡块内置橡胶缓冲装置的厚度对曲线梁桥抗震性能影响预测方法研究.广州:暨南大学.张浩.基于 和 的熔融沉积成型 打印过程故障诊断研究.杭州:浙江大学.许德刚王露李凡.深度学习的典型目标检测算法研究综述.计算机工程与应用():.施金汝许凌峰陈金立等.基于树莓派和 算法的路面裂缝检测系统.信息技术():.马琳琳马建新韩佳芳等.基于 目标检测算法的研究.电脑知识与技术():.:./.().:.:/./.():.:.():.:.():.冯凯张书雅李锦暄等.基于卷积神经网络的返回舱识别.现代信息科技():.(上接第 页)于海龙朱晞.地震作用下梁式桥碰撞反应分析.中国铁道科学():.江辉李宇熊智阳等.基于非线性静、动力方法的 简支梁桥连梁装置参数优化研究.振动与冲击():.():./.:.():.():.吴应雄黄净林树枝等.隔震建筑构造设计与应用现状.土木工程学报():.谢旭高博青吴善幸等.柔性橡胶支座上的桥梁结构地震碰撞响应分析.浙江大学学报(工学版)():.施颖宣纪明姚君等.大跨度轨道交通桥梁抗震性能分析.桥梁建设():.():.南昌大学学报(工科版)年