探讨连续梁桥铅销橡胶支座优化设计[筑路施工机械化]

RM CM 本刊特稿 S p e c i a l S t o r y 连续梁桥 铅销橡胶支座优化设计 Op t i m i z a tio n De s i g n o f Le ad Ru b be r Be a r i n g f o rCo n t i n u o u s Gi r d e rBr i d g e 赵 国辉长安大学 桥 梁与隧道陕西省重点实验室 陕西 西安 7 1 0 0 6 4 0引言 西安 成 阳机 场 高速 公 路 为 全封 闭 全立 交 双 向八 车 道 专用 高 速 公 路 线 路 跨越 渭河 及 多 条 明渠 沿 线桥 梁 众 多 作 为 线路 上 的咽 喉 工 程 其抗 震性 能十 分重 要 全 线地 处地 震 度 区 加 之道 路较 宽 上 部 结 构质 量 较 大 常 规 的抗 震 设计 已不 能 满足 要 求 因此 综合 运 用铅 销 橡胶 支座 多 向 变位 伸缩 装 置 以 及 连 梁 装置 共 同构 成减 隔 震系 统来 保证 桥 梁 的抗 震性 能 本 文以该 线 路上 跨南环 路主线桥为例 介绍减 隔 震系统及铅销橡胶 支座的优 化设计 跨南 环路主线桥 为双幅 4 O m 6 0 r f l 4 0 m 的 变截 面预 应 力 混凝 土 连 续 梁 桥 单 幅 桥 面 宽 2 1 1 T I 主 梁 采 用 单 箱 三 室 截 面 C 5 0 混凝 土 边 墩 为2 mX2 5 m 高 度 分别 为9 8 n 开口 8 9 m 中墩 为2 5 mX3 m 高度 分别 为7 5 m和7 3 I n 桥 墩 采用 C3 0 5 昆 凝 土 结 构 总体布 置见 图 l 根 据 公 路 桥 梁 抗 震 设 计 细 则 3 T G厂 r B0 2 0 1 2 0 0 8 J 规 定 本 桥 应 列 为B类桥 梁 进 行 两 阶 段 抗 震 设 计 在 中 震 E1 水 平 下 结 构 的所 有 构 件均 保 持 弹性 在 大 震 E 2 水 z g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 且相 应 的破坏 部 位 应 当便 于检 查 修 复 不 影 向 应 急 交通 的通行 根据 中国 地 震动 参数 区划 图 G B 1 8 3 O 0 0 1 和 工 程 场 地地 震安 全性 评 价 工作 报 第十八联 4 0 0 O 6 0 0 D 4 0 0 0 变截面连续箱梁 告 对沿 线桥 梁 的抗 震 设防 要 求见 表 1 中震 水 平 下 加 速 度 反 应 谱 和 大 震 水 平 下 人 工 加 速 度 时 程 如 图 2 图 3 所 示 铅 销 橡胶 支座 由层 状橡 胶 加 强 钢 板 及 用 于 滞 回 耗 能 的 铅 销 构 成 与 普 通橡 胶 支 座相 比 具 有 阻 尼 弹 性 刚度 大 等 特点 在 强烈 地 震作 用 下 由于 铅销 的屈服 一 方 面消 耗 地 震 能量 另 一 方面 刚度 降低 延 长 了结 构 的周期 从 而通 过 降低地 震激励 来减 小地 震 反应 铅 销 橡 胶 支 座 力 学 模 型 2 主 要 为屈 服 前 刚度K 屈服 后 刚 度K 以 及 屈 服力 Qd 等 参 数确 定 的双 线 性 模 型 图4 其 力 学 特 性 有 以 下 两 1 0 0 l I I l u L J 图1 全 桥 总体布 置 1 o l I J l 基金项 目 陕西省交通科技项 目 0 9 1 3 k 2 4 h U p ww w r o a d m c h i n a C O IT I 1 l一 o I l l l H 1一 0 I I I I 单位 a 1 1 RM CM 本刊特稿 Z 图6 纤维 单 元及 截面 划 分 Z S p e c i a l S t o r y 纤维单元 孵 崖 维梁 单元 分别考虑保护层混 凝土 核 心混 凝 土 及纵 向钢 筋 的 非线 性应 力 一 应 变关 系来模 拟墩 底塑 性铰 3 1 I本 f 段定 1 截 面 满 足 平 截 面 假 定 简化 了截面 上 纤维 的应 变 与截 面 变 形之 间 的几 何 关系 2 不 考 虑 几 何 非 线 性 只 存在各 种纤 维 的材 料非 线性 3 不 考 虑 钢 筋 和 混 凝 土 之 间 的粘 结滑 移 和 混凝 土压 碎 等 产 生 的过 大变 形 4 截面 纤 维 划 分及 其 应力 一 应 变关 系 沿单 元 长度 不 变 单 元 截 面纤维 划 分如 图6 所 示 3 2 材料 的应 力 变模型 3 2 1 混 凝 土 的 应 力 一应 变 模 型 混 凝 土 的应 力 一应 变 关 系 采 用 口 K c 0 2K f c D 修 正 的Ke n t P a r k模 型 图7 用 系 数K来 体 现箍 筋 对核 心混 凝 土 的 约 束作 用 对于 保 护 层 混 凝 土 K 取值 为 1 3 2 2 钢 筋 的应 力一 应 变模 型 钢 筋 的应 力 一 应 变 关 系 采 用 与 试验 结 果符 合较 好 的Me n e g o t t o P i n t o 模型 图8 4 铅销橡胶支座的优化分析 铅 销 橡胶 支座 的最 优 配铅 率 由 以下 几 个 因素决定 1 支 座 耗 散 的地 震 能 量 要 尽 可 能 大 2 支 座 变位 及 主 梁 位 移 要 尽 可 能 小 3 桥 墩 延 性 耗 能 损 伤 尽 可 能 小 采 用 弹 塑 性 时程 分析 计 算在 大 震 激励 下 采 用不 同配铅 率 的 支座 时结 构 内力 及位 移 响应 分析 结 果 如 图9 图1 0 所 示 由 分析 结 果 可 见 最 优 配 铅率 在 6 7 左 右 该 配 铅率 下 桥 墩 基 本 保 持弹 性 且 主 梁位 移 和 支座 i 三 9 一 t o 1 变位最 小 当支座 的 配铅 率低于6 时 铅 销面 积较 小 耗 能 有 限且 需 要 较 大 的 变位 来 实现 耗 能 当配铅 率 高 于 7 时 由于 支 座 屈 服 力 增 大 导 致桥 墩 也 进入 了屈服 状 态 铅 销 橡胶 支座 未 能充 分 保护 桥 墩 最 终选 用 铅销 直径 为 1 6 5 n l l 1 配铅 率 7 支座 与桥 墩 和 主梁 采 用 l 2 锚 固螺 栓连 接 桥 墩 上 采 用风 钻 成 孔 施 工 B j 墩 混 凝 土强 度 超过 2 0 l P a 主梁 为现 浇 结 构 支座 定位 后 安 装 上连 接 板锚 固螺栓 箱 梁 底 模 在 支 座位 置 处开 口 支 座及 底 模 安 装如 图 l 1 图l 2 所 示 5 1 伸缩装置设计 桥 梁 结 构 是 三 维 的 空 间 结 构 物 在 包 括 外界 各 种 因素 在 内 的诸 多作 用 下 将 会 产 生6 个 自由度 的变 位 3 个 方 向的线 变位 和 3 个 方 向 的 角 变位 因 此 安 装在 梁 端 的伸 缩 装 置应 该具 有 适 应 这样 变 位 的功 能 原 设计 方 案 采 用 模 数 式 1 6 0 型 图7 混凝 土 的应 力一 应 变 关 系 图8 钢 筋 的应 力一 应变 关 系 图 1 1 1 0 MN铅销 橡胶 支 座 40 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 配铅率 图9 配铅 率 与最大 变 位 的关 系 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 9 0 9 5 1 0 0 配铅率 图1 0 配 铅 率与 耗能 量 的关 系 h t t p w ww r o a d in c h i n a c o m 图1 2 多向变位伸缩装置 瑚 啪瑚 湖 猢 0 m 咖猫 蛐 仰 2 种 如 如 如 3 2 口 D 制 嘣 伸缩 缝 不 能 满足 结 构 的纵 向位移 且模 数 式 伸缩 缝 由于 本身 结 构特 点 不 能适 应过 大 横 向变位 因 此 为配 合铅 销 橡胶 支 座 的 设计 采 用 能够 适 应 多 向 变位 的L B 2 4 0 模 块 式 梳 齿 型 伸 缩 装 置 该 装 置 具 有 多 向 平 动 较 大 的 立面 及平 面 旋 转 功 能 在 横 桥 向 以 l m为 单 位 分 割 成 多 组 模 块 将水 平 转 角所 造 成 的 梁端 变 位 差 化 整 为零 有效 地 避 免 了伸 缩 装置 的断 裂 5 2 连梁装 置设计 当结 构 遭 遇 到 未 能预 计 的强 震 时 由 于 铅 销 橡 胶 支 座 的 滞 回 耗 能 梁体 位 移 显著 增 大 当伸 缩 缝 处主 梁 的搁 置 长度 不 足 墩梁 之 间 产 生 超 出预 期 的过 大 相 对 变位 时 将 会 出 现 主 梁 脱 座 甚 至 落梁 的 震 害 为使 墩 梁 的相 对 变位 不致 达 到 梁 的搁 置 长度 防 止 落梁 的发 生 多采 用连 梁 装 置将 伸 缩缝 两 侧 的 主 梁 或墩 梁 相连 一 般 有连 接 板 式 杆 式和 拉 索 式 三种 本桥 采 用 了拉 索 式连 梁 装 置 正 常状 态 下 连 梁 装 置不 影 响结 构 在 温度 变化 等 因素 下 的 自由伸缩 当墩 梁相 对 变位 超 过 一定 限制 时 装 置开 始 工作 限 制 桥 墩 与 主 梁 相 对 变 位 的 继 续 增 加 本桥采 用 了拉 索式 连梁 装 置 连 梁 装 置 的设 计 荷 载 为 支座 反 力 的1 5 倍 梁端 底面 安装4 根拉 索式 连 梁 装 置 每 根 拉 索 的设计 破 断 荷 载 为 P 1 5 xRd 4 3 0 0 0 R 为桥 墩 上 支座 的恒 载反 力 每 根 拉 索所 需的钢绞 线股 数为 3 O O Q P 6 0 1 1 5 故取 l 2 根 连 梁 装 置 的 设 置 不 能 限制 铅 销 橡 胶 支座 的变位 耗 能 因 此连 梁 装 置应 该在 支 座达 到 最 大 的 设计 变 位 之 后 主 梁 脱 离 桥 墩 顶 面 之 前 启 动 并 对 梁体 进 行 制 动 使 其 停 留 在桥 墩 上 以 防止 落 梁 连 梁 装 置 的 启 动位移 上 限 0 7 5 S E 0 7 5 1 3 0 图 1 3 连 梁 装置 9 r 7 5 C l T I 启 动位 移下 限 1 5 1 5 1 6 1 2 4 1 5 c r n 其 中 为主梁 在 桥 墩 上 的搁 置长 度 为支座 橡 胶 层 总厚 度 本桥 连 梁 装置 的拉 索 采 用 l 2 s 1 5 2 4 钢 绞 线 外 包P E 保 护 套 管 锚 头 弹簧 护 套 及连 接 钢板 等 由 按 照 拉 索 的破 断荷 载 及 设 计移 动 梁 进 行 设计 加 工 拉 索连 接 在钢 制 承 托 上 锚 固 钢板 上 设 置 1 6 根 M2 4 螺 栓 与梁 底连 接 图1 3 6 结语 1 西 安 市 机 场 高 速 公 路 沿 线位 于 强 震 区 桥 梁 采用 铅 销 橡胶 支 座 来 分 散 水 平 地 震 力 并 耗 散 能 量 降低 桥 墩抗 震 设计 的难 度 2 采用 铅销橡 胶 支座 时 铅 销尺寸 配铅 率 对支座耗 能 桥 墩 内力及结构 变位都 有较大 的影 响 应 通过 优化设计 确定合理 的尺 寸 3 为 了保 证 铅 销 橡 胶 支座 滞 回耗 能作 用 的充 分发 挥 应 采 用 适应 多 方 向 大 变位 的伸 缩 装 置 并 在 梁 端 设 置连 梁 装 置 防止 结 构 在遭 受到 未预 期 的强 震 时产 生 过 大 的墩 梁相 对位移 而 产生 落梁 舢 C M 参考文献 1 J1 T O I T B 0 2 0 1