城市高架桥限位装置抗震设计研究

摘要

在地震中,桥梁结构横向挡块遭到严重破坏,其中部分是由于梁体与其发生碰撞而引起。横向挡块的过早失效导致上部结构失去横向支承,致使梁体发生过大的横向位移、支座失效,甚至落梁。因此改进相邻桥跨梁体与桥墩的纵、横向限位装置,可以有效提高桥梁的抗震能力。本文开展城市高架桥限位装置抗震设计研究,分析梁体与限位装置的碰撞机理,对提高城市桥梁的抗震安全性,具有重要的理论意义和工程价值。主要研究内容及结论如下:
　　 (1)总结了地震中桥梁结构的破坏形式;介绍了各国规范对防落梁系统的规定及国内学者对限位装置的研究成果;介绍了钢筋混凝土桥墩的纤维模型和塑性铰恢复力模型,分析了武田三线性骨架曲线的基本参数及滞回特性;介绍了减隔震支座的类型及恢复力模型。
　　 (2)通过研究剪切滑移型挡块的构造以及作用机理,提出了斜面滑移型挡块和弹塑性限位挡块。
　　 (3)总结已有的结构碰撞研究资料,建立了桥梁碰撞的运动方程,介绍了几种主要碰撞模型的优缺点,选用了可以模拟碰撞力和碰撞过程中能量损失的Kelvin模型,分析了阻尼系数的计算方法。采用弹塑性碰撞模型描述本文提出的斜面滑移型挡块和弹塑性限位挡块。
　　 (4)以兰州市南山路东岗立交桥为工程背景,采用Midas-civil有限元软件,建立了考虑支座非线性、限位装置接触及墩身弹塑性的桥梁结构有限元模型。横桥向输入地震波,重点研究了限位装置的刚度、初始间隙及阻尼对桥梁结构抗震性能的影响。结果表明:撞击力随接触单元刚度的增大而增大;梁体和挡块之间的碰撞次数随着初始间隙的增大而减少;考虑阻尼将会增大墩底剪力需求。
　　 (5)针对具有斜面滑移型挡块和弹塑性限位挡块的多联连续梁桥,建立了考虑支座非线性、限位装置和桥墩的弹塑性的桥梁结构有限元模型,横桥向输入地震波,分析了限位装置屈服强度的变化对桥梁抗震性能的影响,最后,对比研究了无限位装置、弹性限位装置和弹塑性限位装置对多跨连续梁桥的影响。结果表明:屈服型挡块可以减小上部结构的冲击力;对本桥限位装置的屈服强度建议取支反力的20％。