漳州九龙江大桥主桥减隔震动力分析
2012-10-23 来源:中国土木科技网
漳州市九龙江大桥及接线工程(以下简称“本项目”)北接漳州市龙文区水仙大街(国道324),南接桥南规划路(省道208),直通厦深铁路漳州南站,是漳州市龙文区连接桥南新区的主要通道,是联络漳州市市内南北交通以及过境交通的主要干道。

    1 项目简介
    漳州市九龙江大桥及接线工程(以下简称“本项目”)北接漳州市龙文区水仙大街(国道324),南接桥南规划路(省道208),直通厦深铁路漳州南站,是漳州市龙文区连接桥南新区的主要通道,是联络漳州市市内南北交通以及过境交通的主要干道。
    本桥主桥采用“新月形五跨连续梁拱组合体系桥”,跨径组合为(40+67+158+67+40)=372m,桥墩采用空心薄壁墩,基础为钻孔灌注桩基础;两岸引桥上部结构均采用现浇等截面预应力混凝土连续箱梁桥,漳州市侧引桥跨径组合为(4×30)+(3×30+34)+(36+4×40.125)m,龙海市侧引桥跨径组合为(4×41.5)+(38.4+40+34)+(3×30)+(4×30)m,下部结构采用柱式桥墩、扶壁式桥台、钻孔灌注桩基础。由于桥下交通受限因素较多,引桥部分桥墩的轴线与路线中心线呈斜交布置。
    根据《漳州市九龙江大桥及连接线工程:工程场地地震安全性评价报告》,本项目地震基本烈度为Ⅶ度,设计地震动峰值加速度为0.15g;依据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008),主、引桥分属A、B类桥梁,应分别提高两级和一级抗震设防。此外,拟建场地地形起伏较大,地貌较为复杂,且分布有较厚的软弱土层,属抗震不利地段,需进行专项研究及结构抗震分析。
    2 技术条件
    行车时速:100km/h
    跨径组合:
    主桥 --(40+67+158+67+40)m新月形五跨连续梁拱组合体系桥
    引桥 -- 30~41.5m现浇等截面预应力混凝土连续箱梁桥
    桥梁宽度:
    主桥--43.0m(中央分隔带:3.7m,桥侧拉索区:1.25m,人行道宽:2.5m,非机动车道:3.0m,车道分隔带:0.5m,行车道宽:11.9m,内侧护栏:0.5m)
    引桥--38.5m(中央分隔带:1.7m,桥侧拉索区:1.25m,人行道宽:2.5m,非机动车道:3.0m,车道分隔带:0.5m,行车道宽:11.9m,内侧护栏:0.5m)
    桥面横坡:2.0%
    最大纵坡:≤3%
    通航净宽:净宽120m,净高8m
    设计荷载:公路-Ⅰ级
    地震荷载:地震基本烈度7度(地震动加速度峰值0.15g),引桥(B类桥梁)按8度设防,主桥(A类桥梁)按9度设防。
    3 桥梁抗震分析方法及基本参数
    对九龙江大桥主桥采用“非线性动力时程分析方法”进行桥梁减隔震动力分析。
    3.1主桥抗震分析内容
    九龙江大桥主桥为新月形五跨连续梁拱组合体系桥,采用刚性梁、柔性拱,跨径组成为(40+67+158+67+40)m,全长372m。由左、右两幅变截面预应力混凝土连续箱梁和中间独立的中承式钢管混凝土拱三个受力体系组成,两幅连续梁桥之间通过在主跨跨间的多道横梁连成一体,再由主、副吊杆悬吊横梁,使三个受力体系共同承担二期恒载和活载。桥型布置如图1所示。


图1  桥型布置图

    左、右两幅桥间净距3.7m,以便于拱肋从中间穿过。每幅桥宽18.4m,具有副吊杆的中间横梁悬出主梁外1.25m,全宽43.0m。
    桥面以上拱肋由1根主拱肋和2根副拱肋组成,主拱肋为钢管混凝土结构,副拱肋为空钢管结构。主拱肋位于桥梁中间,拱肋位于竖直平面内,副拱平面与主拱平面成19.4677°。
    边拱肋和桥面以下主拱肋为钢筋混凝土结构。边拱肋、主拱肋混凝土段和纵系梁组成三角刚构,以便于拱肋的稳定和系杆的布置与张拉。
    九龙江大桥主桥是全线的重点工程,抗震等级高,因此有必要对九龙江大桥主桥进行桥梁减隔震对比动力时程分析。
    具体分析内容如下:
    主桥“非隔震”桥梁地震动力时程分析
    主桥“NDQZ减隔震”桥梁地震动力时程分析
    3.2 地震动加速度时程
    九龙江大桥主桥采用两个地震概率水准E1、E2进行抗震设计,主桥地震概率水准E1为50年超越概率10%,地震概率水准E2为100年超越概率3%。
    计算中采用相位1对应的地表面地震波进行桥梁减隔震动力分析,地震动时程如图2~图3所示。


样本一  X方向地表加速度时程


样本二  Y方向地表加速度时程

图2  50年超越概率10%地表加速度时程


样本一  X方向地表加速度时程


样本二  Y方向地表加速度时程
图3  100年超越概率3%地表加速度时程

    3.3 NDQZ减隔震支座力学模型及参数计算
    九龙江大桥主桥NDQZ减隔震支座采用了2000kN、6000kN、65000kN三种吨位。NDQZ减隔震支座水平限位方向力学模型如图4所示,水平活动方向力学模型如图5所示。


图4  支座水平限位方向力学模型


图5  支座水平活动方向力学模型

    图中:K0为滑移屈服前刚度,K1为阻尼元件屈服前刚度,K2为阻尼元件屈服后刚度,F0y为支座起滑力,Fy为阻尼元件屈服力,μ为支座滑移面设计摩擦系数,GAP为滑移位移(间隙)。
    图4、图5中阻尼元件的阻尼力可简化为双线性恢复力力学模型,如图6所示。


图6  支座水平活动方向力学模型

    图中:K0为滑移屈服前刚度,K1为阻尼元件屈服前刚度,K2为阻尼元件屈服后刚度,F0y为支座起滑力,Fy为阻尼元件屈服力,μ为支座滑移面设计摩擦系数,GAP为滑移位移(间隙)。
    图4、图5中阻尼元件的阻尼力可简化为双线性恢复力力学模型,如图7所示。


图7  支座摩擦力双线性恢复力力学模型

    图中:K0为滑移屈服前刚度,X0y为静摩擦屈服位移(一般取2mm),F0y为屈服力。
    3.4 E1、E2水准主桥减隔震动力时程分析
    结构基本尺寸:双幅桥,单幅桥宽18.4m,单幅为变截面箱梁,跨中梁高3.0m,支点梁高8.5m;下部结构采用实体墩接承台方案,13、14、17、18号墩单幅为双柱式墩,墩身标准截面为3.0×3.5m,承台接6?1.5m钻孔灌注桩;15、16号墩单幅为单墩,墩身标准截面为11.4×4.0m,承台接16?2.0m钻孔灌注桩。桥墩截面如图8所示。


图8  桥墩典型截面

    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9所示。


图9  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“NDQZ减隔震桥梁”地震动力时程分析。
    非隔震桥梁地震动力时程分析包括:自振特性分析、地震(E1水准)动力时程分析和地震(E2水准)动力时程分析。
    NDQZ减隔震桥梁地震动力时程分析包括:自振特性分析、地震(E1水准)动力时程分析和地震(E2水准)动力时程分析。
    计算结果表明:采用NDQZ减隔震支座后,通过耗能减震有效地减少了桥墩承受的弯矩和剪力,取得了优异的减隔震效果,且通过合理的减隔震设计,使得每个墩纵向和横向承受的地震力较均匀,在保证桥梁结构安全的同时优化了结构尺寸。
    4 小结
    九龙江大桥采用减隔震方案设计后,通过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,保证了桥梁的安全性。
    附件:现场照片如下: