復(fù)雜結(jié)構(gòu)人行天橋抗震性能分析

時間:2022-06-30 03:37:30

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復(fù)雜結(jié)構(gòu)人行天橋抗震性能分析

1抗震研究內(nèi)容

為確保主橋在地震作用下具有足夠的抗震性能,滿足設(shè)計預(yù)期抗震性能目標(biāo),本文將從以下幾個方面對該橋展開抗震研究。(1)依據(jù)現(xiàn)有設(shè)計資料,建立該橋結(jié)構(gòu)的三維空間動力有限元分析模型,包括主橋和主橋兩側(cè)的一聯(lián)引橋。模型正確反映橋梁的結(jié)構(gòu)特性以及梁與墩支座的連接特性。(2)采用有限元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力特性計算。(3)采用反應(yīng)譜法和時程分析法研究主橋在E1、E2地震下的地震響應(yīng)。(4)針對地震響應(yīng)分析結(jié)果,提出合理化的設(shè)計方案。采用非線性時程分析法對主橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析,進(jìn)而校核地震作用下該方案的抗震性能。(5)對主橋在遭遇地震時的結(jié)構(gòu)安全性做出評價,提出抗震性能研究的結(jié)論和建議。

2抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及地震動參數(shù)

該橋橋位場地抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計基本地震加速度為0.10g,設(shè)計地震分組為第3組(特征周期為0.45s)。場地類別為Ⅱ類,處于抗震有利地段。考慮主橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu),阻尼比取為0.02,確定水平向設(shè)計加速度反應(yīng)譜參數(shù),如表1所示。

3計算模型

根據(jù)錦江人行天橋主橋結(jié)構(gòu)的總體布置特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)鍵參數(shù),采用通用有限元軟件MidasCivil建立主橋的空間動力有限元模型,如圖2所示??紤]邊界聯(lián)的影響,空間動力有限元模型應(yīng)包含主橋相鄰聯(lián)引橋。主梁、桅桿、橋墩立柱及樁基均采用梁單元模擬,拉索采用桁架單元模擬。支座布置如圖3所示。

4動力特性分析

結(jié)構(gòu)前十階動力特性參數(shù)如表2所示。結(jié)構(gòu)第一階振型模態(tài)圖如圖4所示。

5構(gòu)件抗震性能驗(yàn)算

5.1原結(jié)構(gòu)體系非線性時程響應(yīng)特性。錦江人行天橋主橋設(shè)置普通盆式支座時,在E1地震作用下,支座的橫向剪力響應(yīng)較為顯著。其中,Z7、Z9支座處的剪力大于豎向承載力的10%,而普通盆式支座的水平承載力為豎向承載力的10%。因此,E1地震作用下支座水平限位裝置將被剪斷。E2地震作用下,錦江人行天橋主橋的拉索索力小于設(shè)計索力,其橋塔、橋墩應(yīng)力小于鋼材屈服強(qiáng)度,且樁基礎(chǔ)地震抗彎需求小于等效屈服強(qiáng)度,即以上構(gòu)件的抗震性能均滿足相關(guān)規(guī)范要求。但在E2地震作用下,支座的剪力較大,橫向剪力基本超過設(shè)計支反力的20%。其中,Z7、Z9支座處的剪力大于設(shè)計支反力的30%。因此,在不改變約束形式的前提下,欲保證E2地震作用下橫向固定支座不剪斷較為困難。本文采用橫向雙固定支座和設(shè)置減隔震支座[3]兩條路徑對錦江人行天橋進(jìn)行抗震設(shè)計,使橋梁在正常使用和地震工況下都能達(dá)到最優(yōu)性能。5.2橫向雙固定支座方案。E2地震作用下,原設(shè)計方案中多數(shù)支座的橫向剪力過大,難以滿足抗震性能要求。橫向雙固定支座即將原方案每個墩位處設(shè)置1個橫向固定支座調(diào)整為設(shè)置2個橫向固定支座。該工況下,2個橫向支座共同承擔(dān)水平地震力,從而減小支座的水平剪力。錦江人行天橋主橋橋面寬度較小,為9.3m,支座間距為5.7m。因固定支座本身具有一定的位移量,可以適應(yīng)橋梁在溫度作用下的橫向變形,故采用橫向雙固定支座方案時,橋梁在正常使用情況下的性能基本不受影響。E1地震作用下不同支座方案計算結(jié)果對比如表3所示。E2地震作用下不同支座方案計算結(jié)果對比如表4所示。由表3、表4可知,E1、E2地震作用下,設(shè)置橫向雙固定支座方案的支座剪力的確小于普通盆式支座方案,各墩位處2個橫向支座很好地分擔(dān)了地震作用下的水平剪力。錦江人行天橋主橋?yàn)槠矫嫖挥诳臻g曲線上的單邊斜拉曲線橋,恒載作用下,其支座本就存在著水平剪力。如果采用橫向雙固定支座方案,地震作用下產(chǎn)生的水平剪力和恒載作用下的水平剪力疊加在一起,部分超過了支座設(shè)計豎向承載力的30%,不能滿足設(shè)計要求。5.3減隔震設(shè)計。5.3.1減隔震支座比選。目前,常用的整體性減隔震裝置有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座及拉索減震支座。3種支座均可有效地減震和隔震,但3種支座的剛度各不相同,能夠承受的水平剪力和位移量均不相同[45]。由于錦江人行天橋主橋的平面線形位于小半徑圓曲線上,橋梁結(jié)構(gòu)為單邊拉索,常規(guī)荷載下,其支座本就存在著較大的水平剪力和縱橫向位移。恒載作用下,拉索減震支座能夠適應(yīng)較大的位移量,也可以承受一定的水平剪力。在固定墩和活動墩處同時設(shè)置拉索減震支座,地震極端荷載作用下,固定支座承擔(dān)的水平荷載超過某一量值時,抗剪螺栓剪斷,固定支座將轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒又ё?。體系的水平傳力途徑發(fā)生改變,地震水平荷載可以分?jǐn)偟矫總€橋墩,從而大大減小固定墩的受力。因此,拉索減震支座在減小結(jié)構(gòu)地震作用的同時,可以有效限制墩梁的最大相對位移,防止落梁災(zāi)害發(fā)生。拉索減震支座如圖5所示。5.3.2拉索減震支座減隔震體系地震反應(yīng)分析。主橋聯(lián)采用拉索減震球形支座,并根據(jù)噸位選擇具體型號。主橋塔下橋墩,即8#、9#墩選用LSQZ7000GD/DX支座;主橋其他橋墩,即7#、10#及11#墩選用LSQZ2000DX/SX支座。采用上述支座布置后,對主橋進(jìn)行E2地震作用下結(jié)構(gòu)體系的抗震性能驗(yàn)算。使用拉索減震支座時,首先應(yīng)選擇合適的拉索自由程。對采用不同自由程時拉索減震支座的減震效果進(jìn)行對比,最終確定拉索減震支座的自由程為10cm。經(jīng)計算,錦江人行天橋主橋在E2地震作用下各構(gòu)件的抗震性能均滿足相關(guān)規(guī)范要求。其中,拉索索力小于設(shè)計索力,能力需求比為1.48;橋塔、橋墩應(yīng)力分別為137MPa、165MPa,均小于鋼材的屈服強(qiáng)度,相應(yīng)能力需求比為2.51和2.09;拉索支座最大剪力響應(yīng)為2367kN,小于支座拉索強(qiáng)度;樁基礎(chǔ)地震抗彎需求小于等效屈服強(qiáng)度,主橋邊墩單排樁縱向抗彎最為不利,相應(yīng)能力需求比為2.43。6結(jié)論(1)錦江人行天橋主橋結(jié)構(gòu)若采用普通盆式支座,在E2地震作用下,其支座剪力較大,橫向剪力基本超過設(shè)計支反力的20%,Z7、Z9支座處的橫向剪力大于設(shè)計支反力的30%。不改變約束形式的前提下,保證支座不剪斷較為困難。(2)錦江人行天橋主橋?yàn)槠矫嫖挥诳臻g曲線上的單邊斜拉曲線橋,恒載作用下,其支座本就存在著水平剪力。如果采用橫向雙固定支座方案,地震作用下產(chǎn)生的水平剪力和恒載作用下的水平剪力疊加在一起,部分超過了支座設(shè)計豎向承載力的30%,不能滿足設(shè)計要求。(3)采用拉索減震支座方案后,主橋包括橋塔、拉索、橋墩及樁基礎(chǔ)在內(nèi)的所有構(gòu)件的抗震性能均得到了不同程度的優(yōu)化。拉索減震支座調(diào)整了地震力的分布,激發(fā)出結(jié)構(gòu)的冗余強(qiáng)度,優(yōu)化抗震控制構(gòu)件的受力特性,進(jìn)而提高全結(jié)構(gòu)的抗震性能。(4)構(gòu)造設(shè)計時,應(yīng)在主梁、支座及橋墩連接節(jié)點(diǎn)處預(yù)留構(gòu)造間隙,使主梁與橋墩在縱橋向和橫橋向保持0.1m的相對位移,確保拉索支座在地震中發(fā)揮作用。此外,景觀人行橋抗震設(shè)防類別的判定一直存在爭議??紤]結(jié)構(gòu)美觀性,景觀人行橋在形式上往往接近于斜拉橋、懸索橋和拱橋,但其結(jié)構(gòu)受力仍接近于梁橋。目前,并沒有針對人行橋抗震設(shè)防類別劃分的相關(guān)規(guī)定,設(shè)計人員在設(shè)計時只能參考市政橋梁或者公路橋梁的相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。如果按照斜拉橋、懸索橋和拱橋的要求進(jìn)行抗震設(shè)防分類,分類標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)歸為甲類,但城市景觀橋一般跨度較小,在交通網(wǎng)絡(luò)中的重要性也不如市政公路橋梁。因此,把帶有斜拉、懸索及拱造型的景觀人行橋歸為甲類抗震設(shè)防范疇,是值得商榷的。

參考文獻(xiàn)

[1]李豐群.深圳前海合作區(qū)夢海前灣河大橋設(shè)計[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2019,16(3):5153.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范:CJJ166—2011[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3]范立礎(chǔ),王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路橋梁鉛芯隔震橡膠支座:JT/T822—2011[S].北京:[出版者不詳],2011.

[5]四川省交通運(yùn)輸廳.拉索減震支座與應(yīng)用技術(shù)指南:DB51/T2241—2016[S].成都:成都西南交大出版社,2016.

作者:李豐群 李瑞琪 單位:東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司