谢王互通式立交F、H匝道桥梁减隔震动力分析
2012-10-23 来源:中国土木科技网
G3001号国家高速公路--西安绕城高速公路位于西安市境内,是陕西省“米”字型公路主骨架的枢纽路段,也是陕西省乃至西部地区当时设计标准最高、设施最齐全、通行能力最大的第一条六车道高速公路。

    1 项目简介

    G3001号国家高速公路--西安绕城高速公路位于西安市境内,是陕西省“米”字型公路主骨架的枢纽路段,也是陕西省乃至西部地区当时设计标准最高、设施最齐全、通行能力最大的第一条六车道高速公路(直到双向八车道的西安机场专用高速通车)。西安绕城高速公路全长80公里,分南北两段建设,总投资47亿多元。项目地理位置图见图1。


图1 路线地理位置图

    西安绕城高速公路(北段)改建工程谢王互通式立交F匝道桥为(20+28+20)m现浇预应力混凝土连续箱梁,H匝道桥为2×(5×20)m现浇预应力混凝土连续箱梁。
    根据国家地震区划图,西安市区域地震烈度为8度,设计基本地震加速度值为0.20g。
    以下分别是上述两座匝道桥进行桥梁减隔震分析。具体分析工作内容如下:
    F匝道桥梁减隔震动力时程分析
    H匝道桥梁减隔震动力时程分析

    2 桥梁抗震分析方法及基本参数分析

    2.1地震动加速度时程
    由于未见本项目地震动加速度时程数据,根据本项目场地土类别,拟合了一条相适应的地震动加速度时程,调幅后的地震峰值加速度取0.2g,计算采用的地震动时程如图2所示。


图2-1 E2地震X方向加速度时程


图2-2 E2地震Y方向加速度时程

    2.2 HDR高阻尼隔震橡胶支座力学模型及参数计算
    HDR高阻尼隔震橡胶支座可简化为双线性恢复力力学模型,如图3~4所示。


图3 HDR固定型支座双线性恢复力力学模型

    图中: K1为屈服前刚度,K2为屈服后刚度,Sy为屈服位移量,Sd为设计阻尼位移,Fy为屈服力,Fd为设计阻尼力。


图4  HDR滑板型支座双线性恢复力力学模型

    图中:K0为屈服前刚度,X0y为屈服位移,F0y为滑动摩擦力。
    2.3 F匝道桥梁减隔震动力时程分析
    采用有限元分析软件MIDAS2010建立F匝道20+28+20m现浇预应力混凝土连续箱梁全桥空间有限元模型,主梁和桥墩均采用三维梁单元,端横梁荷载和二期恒载作为梁单元附加质量,并建立桩基模型。
    结构基本尺寸:梁高1.5m,宽8.5m;下部结构采用圆墩接承台,墩高6.27~6.81m,墩身直径1.3m,承台接2?1.2m混凝土桩。桥型布置如图5所示。


图5  桥型布置图

    结构的约束条件为:考虑冲刷,桩基在合理长度嵌固;主梁与桥墩根据实际支座类型建立非线性连接。坐标系取顺桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴,桥梁地震动力分析有限元模型如图6所示。


图6  桥梁地震动力分析有限元模型

    (说明:本文及分析中所采用的单位系统为SI(m),即m、N、Pa,此报告文字及图片中出现的任何数字,如未注明,均采用此单位系统。)
    为进行对比研究,分析计算工况包括“非隔震桥梁”地震动力时程分析和“HDR隔震桥梁”地震动力时程分析。计算结果表明:
    1)非隔震桥梁地震动力时程分析
    采用非隔震支座状态,桥台设置SX板式支座,桥墩设置ZX盆式支座,采用“硬抗”的抗震受力方式,桥墩承受的横向地震力都较大。
    2)HDR隔震桥梁地震动力时程分析
    采用HDR隔震支座状态,与非隔震支座状态进行墩底受力相比,墩底顺桥向弯矩最大减震58%,墩底横桥向弯矩最大减震69%,墩底顺桥向剪力最大减震59%,墩底横桥向剪力最大减震69%。
    采用HDR隔震支座状态,与非隔震支座状态进行承台底受力相比,承台底顺桥向弯矩最大减震59%,承台底横桥向弯矩最大减震70%,承台底顺桥向剪力最大减震61%,承台底横桥向剪力最大减震68%。
    进行桥梁结构抗震性能验算:采用UCFyber计算墩底截面承载力。计算结果表明:
    1)在E2地震作用下,采用传统抗震方式时顺桥向和横桥向的桥墩底部最大弯矩是桥墩设计弯矩的2~3倍,桥墩底部进入强烈塑性状态,变形超过极限塑性变形从而导致桥墩破坏。
    2)若采用HDR高阻尼隔震橡胶支座,可以有效减小桥墩底部弯矩,保证桥梁结构抗震安全。
    2.4 H匝道桥梁减隔震动力时程分析
    采用有限元分析软件MIDAS2010建立H匝道5×20m现浇预应力混凝土连续箱梁全桥空间有限元模型,主梁和桥墩均采用三维梁单元,横隔板荷载和二期恒载作为梁单元附加质量,并建立桩基模型。

    结构基本尺寸:梁高1.3m,宽8.5m;下部结构采用圆墩接承台,墩高5.5~10.2m,墩身尺寸为1.5×1.0m,承台接2?1.2m混凝土桩。桥型布置如图7所示。


图7  桥型布置图

    结构的约束条件为:考虑冲刷,桩基在合理长度嵌固;主梁与桥墩根据实际支座类型建立非线性连接。坐标系取顺桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖向为Z轴,桥梁地震动力分析有限元模型如图8所示。


图8  桥梁地震动力分析有限元模型

    为进行对比研究,分析计算工况包括“非隔震桥梁”地震动力时程分析和“HDR隔震桥梁”地震动力时程分析。计算结果表明:
    采用HDR隔震支座状态,与非隔震支座状态进行墩底受力相比,墩底顺桥向弯矩最大减震46%,墩底横桥向弯矩最大减震71%,墩底顺桥向剪力最大减震42%,墩底横桥向剪力最大减震67%。
    采用HDR隔震支座状态,与非隔震支座状态进行承台底受力相比,承台底顺桥向弯矩最大减震45%,承台底横桥向弯矩最大减震70%,承台底顺桥向剪力最大减震36%,承台底横桥向剪力最大减震57%。
    进行桥梁结构抗震性能验算:采用UCFyber计算墩底截面承载力。计算结果表明:
    (1)在E2地震作用下,采用传统抗震方式时顺桥向和横桥向的桥墩底部弯矩最大几乎桥墩设计弯矩的2倍,桥墩底部进入强烈塑性状态,变形超过极限塑性变形从而导致桥墩破坏。
    (2)若采用HDR高阻尼隔震橡胶支座,可以有效减小桥墩底部弯矩。
    3 小结
    谢王互通式立交F、H匝道桥梁采用减隔震方案设计后,通过滞回耗能减震使得每个桥墩纵向和横向承受的地震力均较为均匀,最大峰值显着减小,取得了优异的减隔震效果。确保桥梁整体及构件在各水准地震设防下的性能与目标的实现,在保证桥梁结构抗震安全的同时优化了结构尺寸,为大桥的运营及抗震奠定了坚实的安全屏障!
    附件:现场照片如下:

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