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南充矮塔斜拉橋抗震支座結(jié)構(gòu)特性
我國(guó)處于歐亞地震帶上,是一個(gè)地震多發(fā)的國(guó)家。作為交通線關(guān)鍵工程的鐵路橋、公路橋、城市高架橋等將在突發(fā)的地震災(zāi)害中遭到損壞,造成交通中斷,給后續(xù)救助工作造成了極大的困難,因此對(duì)橋梁抗震性能的研究十分必要,而橋梁抗震性能主要通過(guò)減隔震等相關(guān)措施實(shí)現(xiàn)。
1 矮塔斜拉橋的結(jié)構(gòu)特性
矮塔斜拉橋是介于連續(xù)梁橋和斜拉橋之間新的橋梁結(jié)構(gòu)形式,由受彎的主梁、受拉的拉索、受壓的主塔構(gòu)成。矮塔斜拉橋橋塔高度小,主梁剛度大,布索區(qū)短,全橋剛度由梁體提供,拉索僅起加強(qiáng)作用,橋塔上多采用索鞍形式,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般對(duì)稱,塔底不平衡彎矩較小,整體受力較均衡。與梁橋相比, 這種橋型造型美觀, 結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)內(nèi)容豐富,而且具有良好的經(jīng)濟(jì)指標(biāo),得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。
2 減隔震措施
減隔震措施分為減震措施和隔震措施。減震措施是指用各種阻尼器與結(jié)構(gòu)組成耗能、吸能的體系,利用自身的減震吸能作用,較理想的減小地震破壞,對(duì)于突發(fā)強(qiáng)震也有很好的預(yù)防作用和承受能力,常見(jiàn)包含液壓粘滯阻尼器、摩擦阻尼器等,多應(yīng)用于大跨徑橋梁;隔震措施就是通過(guò)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)自振周期,同時(shí)限制位移,從而避開(kāi)地震動(dòng)的卓越周期,避免共振的發(fā)生,從而減小地震作用,常見(jiàn)的有鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座等,應(yīng)用于高烈度區(qū)大中小橋梁上?紤]到矮塔斜拉橋跨徑較小,不易采用阻尼器,從而選取應(yīng)用普遍的鉛芯橡膠支座作為減隔震的措施。
3 鉛芯橡膠支座
鉛芯橡膠支座作為隔震措施的一種,應(yīng)用十分廣泛,其主要構(gòu)件為普通的板式橡膠支座,在中心加入了鉛芯,這么做可以很好的改善橡膠支座的阻尼性能,下圖就是鉛芯橡膠支座的基本構(gòu)造圖。
4 動(dòng)力特性和時(shí)程分析
本文算例南淝河大橋?yàn)殡p塔單索面全預(yù)應(yīng)力混凝土矮塔斜拉橋,全長(zhǎng)220m,跨徑布置為60m+100m+60m,塔梁固結(jié),墩梁分離體系。主梁?jiǎn)畏捎脝蜗淙掖髴冶劢孛,主塔?jì)算塔高18米,采用實(shí)心矩形截面,斜拉索單排布置,由光圓鋼絞線組成,下部結(jié)構(gòu)主墩采用帶擴(kuò)大頭橢圓柱實(shí)體墩,主墩基礎(chǔ)采用9根直徑2.0米的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),按摩擦樁設(shè)計(jì)。本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS CIVIL建立了上部結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)力特性和時(shí)程分析(如下圖):
結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是指結(jié)構(gòu)自身固有的,包括固有頻率,振型和阻尼等,它們的大小取決于結(jié)構(gòu)自身,如結(jié)構(gòu)體系、剛度、邊界條件等。
動(dòng)力時(shí)程分析需根據(jù)規(guī)范要求,從強(qiáng)震記錄和人工波中選取三條地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線,其中兩條選自強(qiáng)震記錄,分別為E1-centro波和Taft波,另外一條選自人工合成波,采用反應(yīng)譜轉(zhuǎn)人工加速度時(shí)程曲線的程序SIMQKE-GR來(lái)實(shí)現(xiàn),時(shí)程曲線(部分)如下所示:
本模型分別選取普通支座和鉛芯橡膠支座,鉛芯橡膠支座通過(guò)定義非線性邊界的特性值來(lái)模擬,輸入彈性剛度K1;屈服剛度Qy;屈服后剛度/彈性剛度K2/K1等數(shù)值,帶入模型計(jì)算后可以得到如下結(jié)果:
方案 普通支座橋梁 鉛芯橡膠支座橋梁
固有周期(s) 0.70s 1.21s
當(dāng)橋梁采用普通支座時(shí),其固有周期為0.70s,與大震時(shí)的地震動(dòng)特征值周期Tg=0.85s特別接近,在地震作用下發(fā)生共振破壞的可能性較大,安裝鉛芯橡膠支座后固有周期變?yōu)?.21s,提高了72.8%,已經(jīng)基本避開(kāi)了地震能量相對(duì)集中的頻段,達(dá)到了隔震的要求,提高了橋梁的抗震性能。
在計(jì)算模型中導(dǎo)入選取的三條地震波,通過(guò)動(dòng)力計(jì)算,可以得到如下時(shí)程曲線(部分):
方案 普通支座橋梁 鉛芯橡膠支座橋梁 減震率
塔頂順橋向位移(mm) 11.6 8.3 28.4%
邊跨斜拉索終點(diǎn)豎向剪力(KN) 671 470 30.0%
跨中豎向剪力(KN) 1588 1121 29.4%
主塔根部橫向彎矩(KN.m) 44577 35834 19.6%
跨中橫向彎矩(KN.m) 6436 4285 33.4%
通過(guò)計(jì)算我們可以知道,南淝河大橋在安裝了鉛芯橡膠支座后,無(wú)論是位移、剪力還是彎矩都有較大幅度的減小,體現(xiàn)出鉛芯橡膠支座的隔震效果。
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南充盆式抗震支座