大地震作用下橋梁防落梁系統(tǒng)的研究

大地震作用下橋梁防落梁系統(tǒng)的研究

1梁端至下部結構距離的控制防雨棚系統(tǒng)的主要功能是限制雨棚系統(tǒng)的縱、橫向或收縮縫層中相鄰梁的相對位移，防止在地震的作用下發(fā)生頂板和碰撞。根據(jù)國內(nèi)外對防落梁系統(tǒng)的認識,一般可以把防落梁系統(tǒng)分為3個部分:梁擱置長度、限位裝置和連梁裝置。梁擱置長度的定義是:假定不用限位裝置時,防止上部結構在超過預期強度的地震作用下從下部結構頂部脫落而需要的梁端到下部結構支撐邊緣的距離,它是防落梁系統(tǒng)的第1道保護,也是最基礎的保護措施,其常見構造如圖1所示。簡支梁橋梁端到墩(臺)帽或蓋梁邊緣的最小距離應不小于a,斜橋、曲線橋及高墩橋中常采用增大a值的方法來防止上、下部結構之間過大的相對位移造成落梁。限位裝置用于限制在預期強度地震作用下伸縮縫或支座處產(chǎn)生過大的變位,是防落梁系統(tǒng)的第2道保護措施,其常見構造如圖2所示。限位裝置和支座共同抵抗地震作用在支座處產(chǎn)生的地震力,是支座抗震能力的有力補充。對于采用減震設計的橋梁,一般僅在非減震方向設置限位裝置,減震方向不設限位裝置。在超過預期強度的地震發(fā)生時,支座功能喪失以后,連梁裝置用于防止橋梁上、下部結構產(chǎn)生過大的相對變位,是防落梁系統(tǒng)最后1道保護措施。其常見構造如圖3所示。在預期強度地震作用下,連梁裝置不起作用,上部結構可以自由地伸縮和振動,超過預期強度大震到來時,連梁裝置開始起作用,限制相鄰梁的相對運動,并最終在梁脫離支座的情況下防止落梁。2國外在大地震橋梁中的破壞機理國外在防落梁措施研究方面開展了較多的理論與試驗研究,特別是美國和日本,他們在調查研究了幾次大地震橋梁落梁破壞的情況后,對其破壞機理展開了大量的試驗研究和參數(shù)分析,取得了一系列成果,提出了多種設計方法。2.1地震反應中相鄰跨間需求搭接長度的影響Priestley等(1996年)推薦用相鄰跨單獨計算出的峰值縱向位移之差的絕對值作為最小搭接長度。HongHao(1998年)對縱向地震作用下相鄰跨間需求的搭接長度進行了參數(shù)研究,研究表明:當橋梁基頻與地震波的卓越頻率一致時,需要的搭接長度最大;當各支撐處地震波相關性較小,地震波相位變化與結構基本振型越不同時,需求的搭接長度越大;當兩相鄰跨的基頻顯著不同時,振動特性的差別是引起相對位移的主要原因,而相鄰跨基頻相互接近時,地面運動的空間變化成為引起相對位移的主要原因。2.2結構體系的彈性設計方法YSYang等(1994年)使用簡化的兩自由度模型模擬橋梁中的2個框架,通過剛度比(K1/K2)、質量比(m1/m2)、限位器的剛度(Kr)、地震強度(峰值地面加速度)、伸縮縫間隙大小、摩擦力及框架的屈服強度等參數(shù)研究了橋梁特性和分析方法對伸縮縫處相鄰梁體位移反應的影響。表明:Caltrans推薦的等效靜力設計方法預測的伸縮縫相對位移不夠準確,對于剛度比大的相鄰框架,Caltrans法低估了伸縮縫處的相對位移;對于剛度比接近1的相鄰框架,由于沒有考慮2個框架的同向運動,Caltrans法顯得太保守。M.Saiidi等(1996年)研究了限位器的截面積和伸縮縫間隙的變化對橋梁地震反應的影響,研究表明:限位器所需的剛度對伸縮縫處相鄰梁體相對位移的變化很敏感,伸縮縫處最大相對位移在零間隙和非零間隙時都可能發(fā)生,這主要取決于限位器的數(shù)量,因此,Saiidi建議限位器的設計應該考慮幾種可能的間隙大小。Trochalakis等(1997年)選取了包括橋臺影響的模型,就限位器對伸縮縫處最大相對位移的影響進行了更廣泛的研究。研究發(fā)現(xiàn):隨著剛度比的增加,伸縮縫處相對位移增大。改變橋臺特性對最大相對位移的影響不大,但當相鄰框架的周期比等于1時,如果不考慮橋臺,伸縮縫處相對位移為零,而考慮橋臺影響時,由于梁體與橋臺間的碰撞,相鄰框架不再同相振動,因而會產(chǎn)生較大的相對位移。對于反相振動的框架,橋臺剛度增大1倍,伸縮縫處相對位移差別為10%之內(nèi)。由于沒有非彈性的影響,所以結果不具普遍性,隨著框架的屈服,傳遞到橋臺的力會減少,相鄰框架伸縮縫處的摩擦力的影響會增大。RJankowski等(2000年)對伸縮縫的合理間距和在相鄰梁間安裝連接桿、硬橡膠墊的橋梁抗震性能進行了研究,表明:安裝連接桿和橡膠墊效果比較好。Vlassis等(1996年,2004年)對橋梁限位器進行了試驗分析,發(fā)現(xiàn)美國現(xiàn)有的限位器設計方法雖在大多數(shù)情況下有效,但它們在許多情況下比較保守,并且忽略了許多重要參數(shù)。RDesRoches等(2003年)對纜索限位裝置的力-位移行為進行了研究,表明:纜索與梁、墩的連接處最容易破壞,且破壞力遠小于纜索強度。RDesRoches(2002年)通過全比例試驗研究了形狀記憶合金(SMA)限位器的效果,表明:SMA限位器能有效限制橋墩和橋臺處的相對位移,并且對近場地面運動很有效。BAndrawes等(2005年)對形狀記憶合金限位裝置進行了參數(shù)分析,表明SMA提供的變形復位功能可有效地限制伸縮縫處相鄰梁體的相對位移,而耗能的大小對相鄰梁體的相對位移影響很小。國外對限位裝置的設計方法進行了大量的研究,已發(fā)展了多種限位裝置設計方法:AASHTO方法、Caltrans方法、Priestley方法、Yang方法、Trochalakis方法、DesRoches方法、ModCaltrans方法和Saiidi方法等。AASHTO方法主要是針對新橋的設計,沒有考慮剛度、相鄰聯(lián)振周期等因素,同時沒有提供限位器所需最小剛度和相鄰聯(lián)最大相對位移的估計。Caltrans方法比AASHTO方法復雜許多,其假定支座完全失效,整個結構只有限位器的剛度,采用了等效單自由度進行彈性設計,用兩相鄰框架位移較小者控制設計。Priestiey方法基于動力分析,認為通過限位器連接在一起的相鄰2框架的最大反應是同向的,框架之間傳遞的最大拉力應等于相鄰2聯(lián)框架縱向抗剪強度之差,該方法忽略了上部結構的慣性力,沒有考慮相鄰框架的異向運動。Yang方法認為伸縮縫處的相對位移應該根據(jù)2個框架單獨分析得到的峰值位移中的較大者來估計,所需的限位器剛度應該大于或等于較柔框架的剛度。該方法不能反映具有相似動力特征的框架同相振動的地震反應,計算得到的限位器剛度也是不恰當?shù)?。Trochalakis方法是基于參數(shù)研究得到的,考慮了2框架周期比的影響,但未考慮相鄰橋跨的振動相位差。DesRoches方法將2耦聯(lián)的相鄰框架簡化成2自由度模型,并強行等效線性化,然后進行2自由度體系的振型分析,從而得到框架間的相對位移,需要的約束量可通過迭代計算。ModCaltrans方法把偶聯(lián)的2自由度體系以2個不偶聯(lián)的單自由度體系來代替,以2框架中位移較大者控制設計。Saiidi方法需要考慮許多橋梁特性參數(shù),稍顯復雜,但預測的反應與實際反應吻合較好,并且Saiidi方法對橋梁不同位置(橋臺、邊跨、中跨)有不同的考慮,而且每個支座單獨考慮,一跨的兩端可采用不同的約束量,在每一支座處要區(qū)分是固定還是滑動支座。對于不同的設計方法,DesRoches進行了進一步的研究,認為采用不同的設計方法計算出的限位器數(shù)量相差很大,并對他所提出的限位器設計方法進行了簡化。2.3時程分析法驗證松原朥己通過對減震橋梁的研究認為:從連梁裝置起作用到上部結構停止運動需要10cm~20cm的作用距離,并且裝置等價剛度的增加將導致橋墩內(nèi)力的顯著增大,因而建議連梁裝置剛度的上限應取減震支座剛度的2~3倍,并應通過時程分析法驗證。渡邊學步等比較了PC纜索式連梁裝置在斜橋上與支承線垂直方向和沿橋軸方向2種配置方式的控制效果,研究表明:采用與支承線垂直方向配置纜索對控制斜橋扭轉的效果較好,采用沿橋軸方向配置纜索梁間相對位移較大。梶田幸秀等研究了連接鋼索對防止梁間碰撞和防落梁的效果,結果表明:連接鋼索具有防落梁的作用,但鋼索的使用會增加橋墩承受的地震力。對于連梁裝置的設計方法,Saiidi等人提出了W/2方法,Saiidi方法允許主梁脫離支座但不能落梁,其設計思想是主梁在強烈地震作用下脫座后,被連梁裝置懸吊起來,直到被修復。該方法設計連梁裝置在主梁脫座后,要承擔主梁1/2的重量,即連梁裝置受力按靜載考慮。這種方法可以作為初步的設計方法,粗略估計連梁裝置的剛度。3裝置的結構模式研究國內(nèi)在防落梁系統(tǒng)方面的研究還比較少,中國地震局工程力學研究所的戴福宏、翟桐研究了3種類型的限位裝置(完全彈性拉壓桿、彈塑性拉壓桿和只受拉纜索)對相鄰梁間以及墩梁間相對位移的影響,研究表明:彈塑性拉壓桿限位裝置效果最好,不但限制了墩梁間相對位移,而且減輕了伸縮縫處相鄰梁體的碰撞。謝旭等研究了考慮支座破壞情況下鋼索防落梁裝置對結構地震響應的影響,分別比較了防落梁裝置不工作長度、剛度、地震強度、地震波波形、梁端與橋臺之間的碰撞對裝置承受最大地震荷載的影響。同濟大學黃小國、李建中等研究了連續(xù)梁橋縱橋向2種防落梁裝置結構模式對比,研究表明連續(xù)梁橋應該采用墩梁連接的限位裝置模式來設計防落梁裝置。長安大學的朱文正、劉健新研究了高阻尼橡膠限位裝置和高阻尼橡膠連梁裝置的效果。于海滟等、孔藝達等對落梁問題中的梁端擱置長度、抗震構造措施等進行了研究?！豆窐蛄嚎拐鹪O計細則》(JTG/TB02-01-2008)對梁擱置長度有了定量的規(guī)定,但對限位裝置和連梁裝置的設計沒有具體的說明。4國內(nèi)防落梁研究中存在的問題(1)國外對防落梁系統(tǒng)展開了較多的理論與試驗研究,并發(fā)展了一些防落梁設計方法,但這