大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥抗震设计.pdf

收稿日期:作者简介:钟振华()男 江苏丹阳人 高级工程师 :浙江交通职业技术学院学报 第 卷第 期 年 月 大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥抗震设计钟振华 姜晓彬 康 晋(杭州市交通规划设计研究院有限公司 浙江 杭州 中铁大桥勘测设计院集团有限公司 湖北 武汉)摘 要:彭埠大桥主桥采用跨径为()的大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥设计方案 具有联长大、自重大的特点 且场地覆盖土层较厚 地震地质环境较为不利 为满足其抗震设防目标的要求 在墩梁之间增加减隔震支座 采用 软件建立该桥空间三维动力计算模型 分析主桥的动力特性 并采用非线性时程方法对比研究布置减隔震支座前后主桥的抗震性能最终确定采用自身带限位装置的双曲面摩擦摆减隔震支座的设计方案 得到了支座摩擦系数的合理取值关键词:大跨长联 悬链形上加劲连续钢桁梁 抗震设计 摩擦摆支座 有限元法中图分类号:文献标识码:/文章编号:()引 言大跨长联桥梁在中强震区地震作用下仅靠 个制动墩通常难以满足桥梁抗震需求 需进行减隔震设计 采用不同的抗震措施减震效率也有区别 黄俊豪等以()的高速铁路连续梁桥为背景 研究了在多级设防水准下不同抗震措施的减震效率 但桥梁抗震设计关键需根据不同桥型及场地条件选择合适的抗震措施 如()多跨连续梁铁路桥综合设置了双曲面球型减隔震支座和液体粘滞阻尼器 连续小箱梁桥采用了板式橡胶支座 钢阻尼器的组合减震体系 部分桥梁则采用设置摩擦摆减隔震支座的抗震设计方案 此外 刘充以南水北调特大桥主桥为研究对象 建立了采用普通盆式橡胶支座的无隔震模型和采用摩擦摆减隔震支座的有隔震模型 研究表明 摩擦摆减隔震支座在该类桥梁上能够达到较好的减隔震效果 苗润池对超大吨位减隔震支座参数进行设计研究 引入 规范中隔震支座调整系数及相应的上限摩擦摆状态和下限摩擦摆状态的方法进行摩擦摆减隔震支座抗震设计控制 得出需要根据不同的目标状态确定不同的控制区域范围以保证支座性能已有的研究表明减隔震设计对提高桥梁结构的抗震能力至关重要 为提高彭埠大桥的抗震能力本文探讨了彭埠大桥的减隔震设计方案 通过采用 软件分析主桥结构动力特性 并进行减隔震设计及验算 最终确定采用自身带限位装置的双曲面摩擦摆减隔震支座 工程背景彭埠大桥是沪杭甬高速公路杭州市区段改建工程的关键性节点工程 跨越钱塘江 主桥采用跨径为()的大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥设计方案 全长 桥梁为公轨合建 双层桥面布置 上层为双向八车道一级公路 下层为双线地铁轨道快线加慢行系统 全桥共设 个桥墩 分别为 主桥立面如图 所示工程场地位于杭州市东部 大部分位于沪杭甬高速老彭埠大桥下游钱塘江水域 属于冲海相、河流相沉积地貌 工程场地主要包括粉砂、粉土、砂质粉土、圆砾土、风化岩等 大桥场地覆盖土层较厚、地震地质环境较为不利图 主桥立面图 钢梁主架中心间距 全桥主桁架基本为带竖杆的华伦形桁架 桁高 全桥共 个节间 标准节间距 边跨为适应跨度布置端部 个节间长度调整为 桥梁上下层桥面均为正交异性钢板的板桁组合结构整体桥面 桥面板与弦杆的顶板连接以实现板桁共同受力 主桥横断面如图 所示图 主桥横断面图 抗震设防标准及性能要求根据大桥的重要性 以及地震破坏后桥梁结构的修复(抢修)的难易程度 结合 城市轨道交通结构抗震设计规范的相关规定 主桥属于特殊设防类桥梁 确定其结构的抗震设防标准及性能要求如下:()地震(年超越概率)重现期 年 水平地震动峰值加速度 特征周期 性能要求:震后不破坏或轻微破坏 应能保持其正常使用功能 构件无需维修 支座正常使用()地震(年超越概率)重现期 年 水平地震动峰值加速度 特征周期 性能要求:震后不破坏或轻微破坏 应能保持其正常使用功能 构件无需维修 支座正常使用()地震(年超越概率)重现期 年 水平地震动峰值加速度 特征周期 性能要求:构件产生可修复性损伤 短期内能恢复其正常使用功能 支座破坏 可更换 抗震设计 主桥结构动力特性采用 软件建立桥梁结构的空间三维动力计算模型 计算模型中的主梁、墩柱和承台采用空间梁单元模拟 桥面板采用板单元模拟 吊杆、上加劲弦采用杆系单元模拟 单元质量采用集中质量 分析模型考虑桩土的共同作用 桩土的共同作用采用等代土弹簧模拟 桩基础的处理方法是在承台底部加上六个方向的弹簧来模拟桩基础的作用 弹簧刚度根据土层状况和桩的布置形式按静力等效的原则确定 其中土性资料根据 法确定成桥状态计算模型考虑了相邻跨引桥连续梁的影响 主桥成桥状态计算模型如图 所示由于主桥设置了双曲面球型减隔震支座 因此分别对隔震前和隔震后的主桥结构进行动力特性分浙江交通职业技术学院学报析 结构动力特性前六阶如表 所示图 成桥状态计算模型表 成桥状态动力特性(隔震前)序号振型特性自振频率()自振周期()体系纵向振动 主桁竖弯 主桁竖弯 主塔侧弯 主桁横弯 主塔侧弯 主桁横弯 主塔侧弯 主桁横弯 表 成桥状态动力特性(隔震后)序号振型特性自振频率()自振周期()体系纵向振动 主桁横弯 主桁横弯 主桁横弯 主桁竖弯 主桁横弯 从隔震前、后的动力特性表可知 由于全桥联长、恒载重 第一阶振型为体系纵向振动 隔震前第一阶体系纵向振动 纵向地震响应由 号墩独立承担 对 号墩的纵向抗震设计非常不利 隔震后第一阶体系纵向振动 不仅周期延长了 而且纵向地震响应由 号墩共同分担 起到了良好的隔震效果 地震动输入采用动态时程法进行地震分析 加速度时程采用地震安评报告的结论 并合成了超越概率水平为 年、年 和 年 的地震动人工波 竖向输入值取为水平向输入值的/地震动输入采用如下两种组合:()水平纵向 竖直向()水平横向 竖直向 地震响应计算结果取地震波的平均值 年、年和 年的其中一条地震波时程曲线图 如图 所示()年 时程曲线()年 时程曲线图第 期钟振华 姜晓彬 康 晋:大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥抗震设计()年 时程曲线图图 工程场地地表人工合成加速度时程曲线 减隔震前结构抗震检算结果抗震检算时 根据施工图配筋对最不利桥墩和最不利单桩进行抗震验算 验算结果如表 所示验算结果表明 减隔震设计前 在 地震作用下 固定墩 在纵桥向桥墩截面安全系数已小于 结构不能满足抗震性能要求 综合考虑 需要对主桥结构进行减隔震设计表 桥墩抗震验算(地震作用)部位截面位置最不利轴力恒载 纵向地震作用纵向抗力()()()安全系数 墩墩底 墩墩底 墩墩底 墩墩底 墩墩底 减隔震设计及验算桥梁隔震装置大体上分为三类 即叠层橡胶隔震装置、滑动摩擦隔震装置和阻尼器与隔震装置的组合系统 结合主桥自重大 需考虑列车动力响应等特点 采用了自身带限位装置的双曲面摩擦摆减隔震支座 如图 所示 最终确定在 墩顶处设置双曲面摩擦摆支座 纵桥向在 处设置剪力销 横桥向 处上游侧设置剪力销 正常荷载下纵向 处固定 横桥向所有桥墩处单侧横向约束 地震作用下剪力销剪断 所有双曲面摩擦摆支座发挥作用图 摩擦摆支座构造图设计过程中 通过调整不同的摩擦系数 对主桥结构进行非线性时程分析对比 分析过程本文不再详细说明 最终参数如表 所示表 双曲面摩擦摆支座动力设计参数型号竖向承载水平极限承载摩擦系数球心距屈前刚度屈后刚度/根据上述参数 对采用摩擦摆减震支座的主桥结构进行非线性时程分析 并结合规范要求 对 地震作用下的桥墩、桩基进行验算 受篇幅影响 仅列出 桥墩验算结果 如表 所示 结果满足规范要求 其余各墩也均满足规范要求验算结果表明主桥采用的抗震设计方案是合理的浙江交通职业技术学院学报表 桥墩抗震验算(地震作用)部位截面位置最不利轴力恒载 地震作用抗力()()()安全系数纵向墩底 桩基最不利 横向墩底 桩基最不利 结 语()对采用摩擦摆减隔震支座的主桥结构进行非线性时程分析 桥墩和桩基最不利截面安全系数均大于 采用减隔震设计后 彭埠大桥主桥结构满足抗震性能要求()双曲面摩擦摆减隔震支座在大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥能够达到较好的减隔震效果()在保证摩擦摆减隔震支座隔震位移的情况下 主桥摩擦摆支座尽可能使用较小的摩擦系数 对结构的受力及抗震设计是有利的 摩擦系数建议取用 参考文献:黄俊豪 黎璟 钱永久 等 多级设防水准下大跨连续梁桥减隔震方案优化研究 桥梁建设 ():宋满满 高烈度区高速铁路多跨长联连续梁桥设计 工程建设标准化 ():李闯 吴学平 沈理斌 等 中等烈度区矮墩小箱梁桥的减震体系研究 浙江交通职业技术学院学报 ():黄树强 聂细锋 张大军 等 非对称铁路连续梁桥抗震设计研究 高速铁路技术 ():尹绪胜 姜琴 摩擦摆减隔震支座在现浇大悬臂箱梁桥中的应用 山东交通科技 ():刘充()波形钢腹板箱梁桥地震响应分析 石家庄:石家庄铁道大学 苗润池 连续梁桥超大吨位减隔震支座选型与参数设计 桥梁建设 ():城市轨道交通结构抗震设计规范.():():第 期钟振华 姜晓彬 康 晋:大跨长联悬链形上加劲连续钢桁梁桥抗震设计