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第 124 頁 共 138 頁 工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu) 期刊主頁 使用帶有保護(hù)裝置連續(xù)橋梁的地震反應(yīng) Goutam Ghosh 土木工程部門 北方邦印度莫逖尼赫魯研究所 阿拉哈巴德 211004 Yogendra Singh Shashi Kant Thakkar 地震工程部門 印度理工學(xué)院魯爾基技術(shù)部 文章信息 關(guān)鍵詞 文章歷史 橋 收到 2009 年 8 月 8 日 承載 收到修改稿 2010 年 12 月 17 日 地震荷載 接受 2010 年 12 月 23 日 歷時分析 在線提供 2011 年 1 月 28 日 摘要 在地震中 由于承載部位故障和支座過短會導(dǎo)致橋梁發(fā)生坍塌 在使用橡 膠支座的情況下 為了防止在發(fā)生強(qiáng)大地震時地面的震動導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)發(fā)生大變 形 必須增加額外的保護(hù)措施 位移限制裝置與橡膠支座的組合 可以防止支座 發(fā)生故障 本文評估了四種在地震中限制上部結(jié)構(gòu)位移保護(hù)裝置的性能 1 剛 性限制器 2 柔性限制器 3 剛限制器 4 超彈性形狀記憶合金 SMA 限制器 分析模型已經(jīng)研發(fā)出所有的保護(hù)裝置 并對現(xiàn)有使用橡膠支座和不同保護(hù)裝置橋 梁的地震反應(yīng)進(jìn)行了地面運(yùn)動頻域中規(guī)模前五的評估 結(jié)果表明 所有的保護(hù)裝 置都具有良好的性能 在地震中能防止支座發(fā)生故障 1 介紹 橋梁故障是由上部結(jié)構(gòu)和較短支座在橋墩或橋臺處位移過大引起的 這是地 震時的常見現(xiàn)象 如遇橡膠支座 1 3 它不具有任何耗能的特點 在強(qiáng)烈地震 期間的位移是相當(dāng)大的 并且可能超過支座的最大限制位移 從而導(dǎo)致支座失效 4 和上部結(jié)構(gòu)滑脫 防止滑脫的技術(shù)已經(jīng)問世許多年 因此因滑脫而導(dǎo)致崩潰 的可能性正在減少 但是 盡管如此 橋梁由于滑脫而出現(xiàn)的坍塌還會持續(xù)出現(xiàn) 集集 6 神戶 7 圣費(fèi)爾南多 8 和北嶺 9 的地震就是例子 因此 需要研究 出一種更好的保護(hù)方法 以防止地震時橋梁的滑脫坍塌 我們把約束和擋塊用作 保護(hù)裝置 以防止橋結(jié)由于脫滑導(dǎo)致坍塌 10 11 各種限位裝置的設(shè)計方法可 第 125 頁 共 138 頁 在文獻(xiàn) 12 14 和設(shè)計規(guī)范 15 17 找到 在所有的方法中 重點都是防止上部 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題 并沒有注意到要防止支座出故障 在本研究中 主要探討在強(qiáng)烈 地震發(fā)生時防止支座發(fā)生故障的限位裝置的可行性 使用這種方法時 支座保護(hù) 裝置可以設(shè)計在新的橋梁以及現(xiàn)有橋梁中 在現(xiàn)代的橋梁中 如果支座由于強(qiáng)烈 的地震而不能承受較大的位移 可以使用這種方法 在比較古老的橋梁中 最廣 泛使用的支座是橡膠支座 它們通常只用于由于溫度 徐變和收縮而產(chǎn)生的位移 使用限位器 擋塊是一個有效的方法 以防止地震時這些支座出故障 該方法也可用于現(xiàn)代橋梁 如果設(shè)計師不使用隔離或減震系統(tǒng)而傾向于使用 傳統(tǒng)的橡膠支座 那么為應(yīng)對強(qiáng)烈地震使用橡膠支座 會導(dǎo)致墩臺上的支座尺寸 大到另人無法接受 降低橡膠支座的尺寸可能會導(dǎo)致其在地震 MCE 級別中發(fā)生故 障 因此 限位器 擋塊可在劇烈地震時防止橡膠支座發(fā)生故障 幾種類型的設(shè)備 如 不銹鋼棒 鋼索 18 19 和阻尼器已經(jīng)在橋梁中用作 保護(hù)裝置 形狀記憶合金 SMA 也被應(yīng)用于橋梁中作為脫滑的保護(hù)裝置 20 25 各種設(shè)備都有相對的優(yōu)缺點以至于設(shè)計師難以在選擇最合適的設(shè)備 在本文中 研究了連續(xù)梁橋中不同類型脫滑保護(hù)裝置的相對性能 所有裝置 都設(shè)計為防止支座出現(xiàn)故障 四種類型的設(shè)備都已研究 1 剛性限制器 2 柔性限制器 3 傳統(tǒng)的剛限制器 4 形狀記憶合金 SMA 限制器 使用 SAP2000 非線性軟件 26 已經(jīng)開發(fā)出橋的三維模型 一組 5 倍加速的研究與現(xiàn)場具體設(shè)計 反應(yīng)譜已兼容用于地震反應(yīng) 2 脫滑保護(hù)裝置 不同類型的脫滑保護(hù)裝置 即 剛性限制器 柔性限制器 剛限制器和SMA 限制器 在以前已經(jīng)研究過了 所有這些裝置都可用于橡膠支座中 剛性限制器 具有非常高的強(qiáng)度和剛度 在上部結(jié)構(gòu)設(shè)有縫隙 使用時在橡膠支座產(chǎn)生一定距 離的位移后會阻止其進(jìn)一步的移動 圖1 柔性限制器 27 和鋼性限制器有相似 的功能 但兩個裝置的初始剛度和屈服強(qiáng)度不同 這些裝置產(chǎn)生一個特定的力 然后進(jìn)行應(yīng)變強(qiáng)化 圖2 在SMA阻擋裝置 28 33 中 鎳鈦形狀記憶合金是最常 用的材料 形狀記憶合金會表現(xiàn)出幾個顯著特點例如熱力學(xué)相變 形狀記憶效應(yīng) 超彈性效應(yīng)和高阻尼 當(dāng)合金加載的溫度低于特定溫度 馬氏體結(jié)束溫度 時可 以觀察到形狀記憶效應(yīng) 在這種情況下 殘余應(yīng)變可通過將材料加熱至高于奧氏 第 126 頁 共 138 頁 體最高溫度進(jìn)行恢復(fù) 當(dāng)材料的溫度加載到高于奧氏體最高溫度時可以觀察到超 彈性效應(yīng) 圖3 在這種情況下 卸載過程中 該材料會恢復(fù)其所有殘余應(yīng)變 在阻擋器設(shè)備中會利用形狀記憶合金的超彈性效應(yīng)這種屬性 圖 1 剛性限制裝置的力 位移問題 圖 2 柔性限制器和鋼限制器的力 位移問題 圖 3 超彈性SMA阻擋器裝置的力 位移的特性 3 橋梁審議研究 第 127 頁 共 138 頁 現(xiàn)有一座三跨鐵路橋 坐落在印度北部 一直在本研究中 它在印度地震區(qū) 的第四地震帶 34 它是一個預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋 總長192米 主跨80 米 兩端跨度各56米 圖4 箱形梁的橫截面細(xì)節(jié)在 圖5 橋墩的高度36 36 米 橋墩是外部直徑為6 5 m 厚度為0 5米的空心圓截面 建在巖石地層上 圖 4 連續(xù)梁橋 圖 5 箱梁截面 A A 4 建模與分析 橋梁的結(jié)構(gòu)已使用SAP2000非線性軟件建模 圖6 上部結(jié)構(gòu)和橋墩在3D畫 面元素建模中大量集中了離散點 由于橋墩建在巖石上 這些都模擬為固定基礎(chǔ) 橋臺假設(shè)為剛性基礎(chǔ) 支座兩端布置的空間建模 水平橫剛性連接如圖6 橡膠 支座建模采用彈性連接元件 剛性限制器使用具有高強(qiáng)度剛性的鏈接元件建模 而柔性限制器和剛限制器則是參照了彈塑雙線性連接元件 超彈性SMA限制器的 第 128 頁 共 138 頁 特性建模 圖7 a 已使用兩個彈性多線性鏈接元件和一個塑料雙線性元件的 并聯(lián)組合 這是一系列的元件 圖7 c 在水平方向和剛性垂直方向上 多線 性連接單元已經(jīng)規(guī)定為彈性剛度 超彈性SMA限制器在縱向和橫向方向上的示意 性模型如圖7 b 所示 正在研究最大地震 MCE 和設(shè)計基準(zhǔn)地震 DBE 的位 點特異性設(shè)計反應(yīng)譜 圖8所示為5 阻尼的位點特異性設(shè)計反應(yīng)譜 記錄時間歷 程使用的是五個擴(kuò)展在不同頻域的地震 模擬設(shè)計其反應(yīng)譜 35 并保持其相位 信息 縮放后的時間歷程MCE負(fù)荷條件已經(jīng)如圖9所示 圖 6 該連續(xù)梁橋的三維模型 第 129 頁 共 138 頁 圖 7 超彈性SMA阻擋裝置建模阻擋器 a 力 位移特性 b 構(gòu)成要素的 示意性布置 c 構(gòu)成要素的力 位移行特性 圖 8 所示為5 阻尼的位點特異性設(shè)計反應(yīng)譜 第 130 頁 共 138 頁 圖 9 地面加速度時程調(diào)整為MCE譜 所記錄的地震包括 1 Elcentro 1940 2 神戶 1995 3 北嶺 分校 1994 4 洛馬普列塔 1989 和 5 圣費(fèi)爾南多 1971 地震記錄 的詳情已列于表1 首先 分析橋結(jié)的自由振動來評定其動態(tài)特性 線性時程分 析是在使用橡膠支座的情況下進(jìn)行的 而非線性時程分析是在橡膠支座裝有保護(hù) 裝置的情況下進(jìn)行的 已經(jīng)觀察到 在橋墩對橋的保護(hù)強(qiáng)度比地震破壞更大 保 證其不變形 即使在MCE 因此 在橋的非線性限制為保護(hù)裝置 表 1 5 支座保護(hù)裝置的設(shè)計 在本研究中 橡膠支座的尺寸是400 800 84毫米 根據(jù)印度標(biāo)準(zhǔn)代碼 36 的指導(dǎo)方針 橡膠支座的允許排水量根據(jù)各種代碼 36 38 提供的不同的標(biāo)準(zhǔn)已 計算出來 最大應(yīng)變準(zhǔn)則 側(cè)翻在邊緣和由于疲勞的標(biāo)準(zhǔn)脫層等 從不同標(biāo)準(zhǔn) 中獲得的最小值視為橡膠支座限制位移 目前的情況下 限制位移定制在42毫米 分析表明 支座在MCE級地震時位移會超過這個限制 因此 增加適當(dāng)?shù)闹ё?護(hù)措施是必要的 第 131 頁 共 138 頁 支座保護(hù)裝置由許多參數(shù)來設(shè)計決定 其中一個設(shè)計保護(hù)裝置的重要標(biāo)準(zhǔn)是 選用地震時水平地面運(yùn)動 由于設(shè)備在最大地震 MCE 損害中表現(xiàn)良好 該設(shè) 計已進(jìn)行了MCE 設(shè)計支座保護(hù)裝置的參數(shù)是初始松弛 縫隙 剛度和屈服力 這 些參數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的 并以復(fù)雜的方式影響抗震性能 此外 對不同設(shè)備的相對 性能有一個公平的比較 在每個案例中根據(jù)不同設(shè)備的需要來獲得設(shè)計參數(shù)的最 佳組合 在本研究中 對于不同系統(tǒng)的敏感性分析獲得了各種設(shè)計參數(shù)的最優(yōu)組 合 與不同系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較 用于得到優(yōu)化之后的設(shè)計參數(shù) 6 參數(shù)研究 第一 已經(jīng)使用了不同支座保護(hù)裝置的橋梁具有不同的屈服力 初始剛度 長度和初始松弛 間隙 單個設(shè)備設(shè)計參數(shù)的最佳組合在敏感性響應(yīng)的研究中獲 得 設(shè)計參數(shù)的最佳組合是能限制支座產(chǎn)生最大位移以及使橋墩產(chǎn)生的最小剪切 力 作為限位裝置提供縱向和橫向方向上的分離 在縱向和橫向方向上分析是獨 立地進(jìn)行的 然后比較研究各系統(tǒng) 目前已獲得設(shè)計參數(shù)的最佳的組合 橋梁的 平均最大響應(yīng)為5縮放加速度 說明以前已經(jīng)比較了不同的設(shè)備 6 1 橋的動態(tài)特性 表2表明了考慮橋的動態(tài)特性 由于橋臺比橋墩更堅硬 它能為限制上部結(jié) 構(gòu)位移提供更大的阻力 另外 上部結(jié)構(gòu)在縱向方向上的剛性比橫向方向更大 它導(dǎo)致在橫向方向上振動的時間更長 在橋兩個方向上的動態(tài)特性差別 要求在 兩個方向上設(shè)置不同的支座保護(hù)裝置 表二 6 2 響應(yīng)靈敏度和最佳設(shè)計參數(shù) 圖10顯示出了地震響應(yīng)時超彈性SMA限位器在橋的縱向和橫向方向上的變化 SMA限位器設(shè)計參數(shù)是初始松弛 長度和截面積 初始剛度和屈服力取決于所選 擇的尺寸 德羅什和德萊蒙 29 匯報了鎳鈦的形狀記憶合金的屈服強(qiáng)度 年度 第 132 頁 共 138 頁 K2和K3的值視為初始剛度 29 的0 07和0 45倍 該器件在點B C D和E 圖7 的應(yīng)變水平看作是0 5 1 5 5 和8 認(rèn)為可恢復(fù)應(yīng)變是8 器件不同 參數(shù)的最佳值是通過試驗決定的 在這個過程中 初始Fy的數(shù)值和限制器的長度 是關(guān)閉的 初始剛度的數(shù)值K1使用所需的橫截面和選擇的長度已得到 Fy和K1 導(dǎo)致支座位移接已近最大極限 選定墩臺的最小剪切力要進(jìn)一步比較研究 在靈 敏度分析中 保持其他參數(shù)不變來研究影響各設(shè)計參數(shù)的變化的量 圖10 正 如預(yù)期的那樣 支座位移隨著松弛度和限制器長度增加而增加 圖 10 SMA設(shè)備變化的響應(yīng) 為了提高屈服力的值 Fy分為兩種情況考慮 在第一種情況下 限制器的長 度保持恒定 增加Fy增大橫截面 導(dǎo)致剛度增加 在第二種情況下 增大Fy 保 持剛性不變 導(dǎo)致阻擋器的長度增加 在第一種情況下 支座的位移隨Fy的增大 而減小 但是在第二種情況下 支座的位移是不跟隨的Fy變化的 是因為增加的 屈服力和長度的影響彼此抵消 我們可以注意到 橋墩的剪切力不會隨著SMA限 制部分設(shè)計參數(shù)的改變而顯著改變 這是難以識別的模型 圖11顯示出橋梁在使用鋼阻擋器時地震響應(yīng)沿著縱向和橫向方向上的設(shè)計 參數(shù)的變化 在這種情況下 這個過程也類似于對SMA阻擋器采用敏感性分析 各種參數(shù)對支座位移的效果與使用SMA阻擋器很相似 但是 研究還發(fā)現(xiàn) 在這 種情況下 橋墩在縱向方向上剪切力的設(shè)計參數(shù)相對不敏感 但在橫向方向上 橋墩剪切力與支座位移的變化是相反的 在橫向上 橋墩的剪切力隨該裝置的長 度增加而減小 隨該裝置屈服力的增大而增大 第 133 頁 共 138 頁 圖 11 鋼限制器裝置響應(yīng)變化 圖12表示的是橋梁柔性阻擋裝置在地震響應(yīng)時沿著縱向和橫向方向上發(fā)生 變化 我們可以觀察到 在這種情況下的主要參數(shù)是上部結(jié)構(gòu)與擋塊之間的初始 間隙和屈服力 擋塊剛度對橋梁響應(yīng)的相對影響不大 另外 正如所料 支座位 移隨初始間隙的增加而增加 隨屈服力的降低而降低 而橋墩剪切力的變化恰恰 與之相反 圖 12 屈服阻擋裝置響應(yīng)變化 表3列出了不同類型的保護(hù)裝置在MCE的裝載情況下所獲得的最佳設(shè)計參數(shù) 在剛性擋塊的例子中 剛度和屈服力分配的值非常高 在松弛 間隙 為42毫米 表3 第 134 頁 共 138 頁 6 3不同的保護(hù)裝置的橋梁地震反應(yīng) 表 4 和表 5 分別列出橋在 MCE 與 DBE 負(fù)荷條件下沿縱向方向上的地震響應(yīng) 可以從表格中觀察到所有保護(hù)裝置 支座位移可以控制在能接受的范圍內(nèi) 但是 這將導(dǎo)致出現(xiàn)較高的墩臺剪切力 在支座位移量相同的條件下 較其他設(shè)備而言 剛性限位可以減少 42 50 的橋墩位移和 28 43 的橋墩剪切力 用 MCE 比 DBE 減少 18 40 的橋墩位移和 25 39 的橋墩剪切力 然而 這樣會增加 橋臺的力量 在橋臺的剛性擋塊會傳輸較大的力給橋臺 這樣橋墩的力會減小 在本案例上部結(jié)構(gòu)沒有永久位移 裝置連接橡膠支座 也就是彈性連接 在這三個保護(hù)裝置外的剛性限制器 柔性限制器在 MCE 案件負(fù)載中表現(xiàn)略好 柔性限制器能讓橋墩產(chǎn)生最小的位移和剪切力 在 DBE 裝載時 剛限制器的性能 比 SMA 限制器和限位限制器相對好一些 因為它令橋墩和支座的位移最小 并且 最小力量在墩臺 然而 應(yīng)當(dāng)注意的是 SMA 限制器相比其他所有保護(hù)裝置具有 更高的能量耗散 表 4 7 表 4 表 5 表6和表7分別表示出在MCE與DBE負(fù)荷條件下橋在沿寬度方向的地震響應(yīng) 剛性限制器的相對性能在橫向方向上不如在縱向方向上 這是由于上部結(jié)構(gòu)在橫 向方向上很靈活 其他設(shè)備的性能也與 SMA 限制器相媲美 導(dǎo)致橋墩位移和橋墩 的力量輕微上升 比如剛限制器和柔性限制器 第 135 頁 共 138 頁 表 6 表 7 7 結(jié)論 在本文中 研究了一座三跨連續(xù)梁橋不同類型支座保護(hù)裝置的相對性能 已 經(jīng)得出每一個保護(hù)裝置的敏感設(shè)計參數(shù)和最佳組合設(shè)計參數(shù) 如何讓限制到支座 的最大位移 讓橋墩和橋臺承受最小的剪切力 這些已在試驗過程中獲得 研究 已有的四款限制器 即剛性限制器 柔性限制器 剛限制器 和SMA限制器 已 經(jīng)限制了常規(guī)橡膠支座安全設(shè)計的最大位移 但是會隨著橋墩 橋臺力的增加而 增加 值得注意的是 所有的設(shè)備在使用最佳設(shè)計參數(shù)時都有不錯的性能 該SMA 限制器會提高橋墩 橋臺的剪切力 但能提供更高的能量損耗和更好的額外保護(hù) 防止因較大的應(yīng)變硬化導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)在較高的水平面發(fā)生震動 參考文獻(xiàn) 1 森甲 卡爾歐塞爾 庫克 N 莫斯 PJ 橋梁支座壓縮行為 用于地震隔離 主機(jī)結(jié) 構(gòu)體 1996 18 5 351 62 2 廝磨 JC 凱利 JM 多層的穩(wěn)定性的有限元分析 橡膠支座 主機(jī)結(jié)構(gòu)體 1984 6 3 162 74 在上斜壓縮試樣尺寸效應(yīng) 3 Topkaya C 分析疊層橡膠支座 主機(jī)結(jié)構(gòu)體 2004 26 8 1071 80 4 金 SH 李西南 后抗震性能的支座影響損壞一個多跨梁橋機(jī)結(jié)構(gòu)體 2006 28 7 1071 80 5 拉希姆日月光 減緩沖擊和擴(kuò)展防脫圈隔離的多跨橋梁接縫 工程結(jié)構(gòu)體 第 136 頁 共 138 頁 2009 24 7 2345 56 6 張 KC 張 DW 蔡 MH 宋 YC 公路抗震性能橋梁 地震工程工程地震動 態(tài) 2000 2 1 55 77 7 布魯諾 M 威爾遜 JW 鋼橋梁在特倫布萊 R 性能 1995 年兵庫県南部 日本 神戶 大地震 可以 哀工程 1996 3 678 713 8 詹寧斯電腦 二月的圣費(fèi)爾南多地震工程特點 1971 9 報告編號 EERL 71 02 帕薩迪納 地震工程研究實室 加州理工學(xué)院 9 Moehle 太平紳士 1994 年 1 月 17 日的北嶺地震 偵察報告 第 1 卷 公路 橋梁和交通管理 與地震譜 1994 11 3 287 372 10 喬杜里的 MTA 安倍晉三米 一個典型的地震響應(yīng)藤華調(diào)查的隔震橋梁 工程結(jié)構(gòu)體 2002 年 24 7 945 53 11 帕吉特乙腦 德羅什 R 三維非線性抗震性能評價的改造措施 為典型的鋼箱 梁橋 工程結(jié)構(gòu)體 2008 30 7 1869 78 12 Saiidi M Maragakis EA 目前加州交通局的馮學(xué)的評價地震限制器的設(shè)計方 法 報告編號 CCEER 92 8 里諾 內(nèi)華達(dá)州 公務(wù)員工程部 內(nèi)華達(dá)大學(xué) 13 Fenves G 西北連接器在蘭德斯的德羅什 R 響應(yīng)和大熊地震 報告編號 UCB EERC 94 12 貝克萊 加利福尼亞州 加州大學(xué) 1994 14 塞萊娜 LG 馬爾瓦 LJ RJ Zelinski 大橋改造測試 鉸鏈線限制部分 結(jié) 構(gòu)工程 ASCE 1989 115 4 920 34 15 AASHTO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為公路橋梁 第 16 版 華盛頓 直流 國家公路和 運(yùn)輸官員協(xié)會 1996 16 CALTRANS 備忘錄 設(shè)計師 20 3 20 4 薩克拉門托 加利福尼亞 州 美國加州交通運(yùn)輸部 1994 年 17 CALTRANS 抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 20 3 20 4 薩克拉門托 加利福尼亞州 美國加州交通運(yùn)輸部 1999 18 榮獲 JH 趙 KI 金 SH 后橋的運(yùn)動效應(yīng)的阻擋器的地震作用下 工程結(jié) 構(gòu)體 2008 30 12 3532 44 19 WonJH 后橋的運(yùn)動效應(yīng)的阻擋器的地震作用下 工程結(jié)構(gòu)體 2008 30 12 3532 44 第 137 頁 共 138 頁 20 格雷澤 EJ Cozzarelli 足總杯 形狀記憶合金作為抗震新材料隔離 工程 力學(xué) ASCE 1991 117 11 2590 608 21 克拉克私服 艾肯的 ID 凱利 JM 東野 M Krumme RC 實驗合金阻尼 器結(jié)構(gòu)控制 在分析研究 被動阻尼的訴訟 1995 22 Bondonet G 用于橋梁隔震 Filiatrault A 形狀記憶合金 見 地震工程第十一 次世界會議的記錄 1996 23 威爾遜 JC Wesolowsky MJ 形狀記憶合金的地震響應(yīng)修改 國家的最先 進(jìn)的檢討 地震譜 2005 年 21 2 569 601 24 Sharabash Andrawes BO 在形狀記憶合金阻尼器應(yīng)用地震控制的斜拉橋 主機(jī)結(jié)構(gòu)體 2009 31 2 607 16 25 王爾德 K Gardoni P 藤野華基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)形狀記憶合金設(shè)備高架公路橋 主機(jī)結(jié)構(gòu)體 2000 22 3 22