新型复合高墩桥在地震时表现出超强的抗震性能!

   电工小二        

目前,高墩钢筋混凝土桥梁的抗震设计多采用基于延性的抗震设计方法。尽管可以避免带有高墩的RC桥梁的倒塌,但是当它们遭受强烈的近断层地震时,它们很可能遭受重大的破坏和功能损失。本研究的目的是提出一种创新的高墩系统设计概念及其在高墩桥梁中的应用。创新的高墩-墩台系统的概念是基于抗震结构的原理,旨在提高高墩-墩台桥梁在强近断层地震动作用下的抗震性能。结果表明:在设计地震(DBE)作用下,采用新型组合高墩的钢管混凝土柱和连接钢梁在设计地震作用下保持弹性,而破坏发生在可替换的有助于耗散地震输入能量的EDMSPs上。新桥梁的位移响应明显小于常规桥梁。因此,采用新型组合高墩的桥梁在近断层地震动作用下具有较好的抗震性能。


相关论文以题为“Seismic Behavior of a Bridge with New Composite Tall Piers under Near-Fault Ground Motion Conditions”于北京时间2020年10月21号发表在《Applied Sciences》上。




在高山深谷地区建设高速公路或铁路时,由于桥墩高度增加1米,线路总长度可缩短200米至400米。因此,在大多数情况下,高墩桥梁是唯一的设计选择。据统计,桥墩高度在40米以上的高墩桥型占中国西部城市桥型的40%以上。然而,世界范围内对高桥墩的定义还很缺乏。AASHTO并没有直接给出高墩桥型的定义,但规定了墩长细比大于40时应考虑二阶效应。中国工程师通常将桥墩高度不低于35米的桥墩称为高墩桥墩。本文对这类公路桥进行了研究。在20世纪中叶,一些国家,如欧洲和北美,开始建设高桥墩。近年来,我国墩式桥梁的建设数量和技术发展迅速。中国的许多桥梁,如拉巴金大桥、河漳大桥等,不断刷新桥墩高度的记录。然而,在高桥墩建设中仍存在一些挑战和障碍。


上述研究指出,常规桥梁的抗震设计不适用于高墩桥梁,不符合常规桥梁的定义。目前在高墩桥梁的设计中,仍采用常规中、短墩的设计方法,存在着些许不足。在汶川大地震中,庙子坪大桥、卢紫坪铺大桥等高墩桥梁[16]遭受了严重的破坏和功能丧失。与远断层地震动相比,近断层地震动的特征有很大的不同。地震动具有脉冲强、脉冲周期长、断层位移大的特点,使能量在短时间内积累,从而破坏构造。在帝王谷地震(1979年)、北岭地震(1994年)、神户地震(1995年)和集集地震(1999年)中,大量建筑物在近断层地震动作用下的破坏和倒塌引起了学者们的广泛关注。Anderson和Bertero论证了加速度脉冲持续时间与结构基本周期的关系对结构抗震性能有很大影响。结果表明,当脉冲宽度远大于结构周期时,结构损伤会更严重。Somerville等分析了破裂指向性对强地震动振幅和持续时间的影响。结果表明,在超过0.6 s的时间段里,脉冲型地震动的弹性响应谱大于非脉冲型地震动的弹性响应谱。也有许多学者得出近断层地震动脉冲对中基周期结构的地震性能影响较大的结论。Kalkan和Kunnath分析了近断层地震对钢框架结构动力响应的影响。结果表明,与远断层地震动相比,近断层地震动中的速度脉冲会使结构在相对较少的塑性循环中耗散可观的输入能量。


然而,上述研究主要集中在短到中墩柱,而对高墩柱桥梁的研究报道较少。可替换构件结构在桥梁工程中的应用一直是一个未解决的问题。根据桥梁抗震设计中的“强梁-弱柱”原则,墩台柱设计为韧性构件,在强地震中可能发生破坏。摘要为提高高桥墩的抗震性能,避免高桥墩在近断层地震动作用下的修复费时,提出了一种新型高桥墩的抗震弹性设计思想。新提出的组合式高墩由四肢钢管混凝土柱和耗能低碳钢板组成。钢管混凝土柱具有足够的承载能力,主要承受竖向轴向荷载。EDMSPs同时具有能量耗散成分和牺牲成分。同时,工字钢梁间隔安装,连接钢管混凝土柱的四肢。图1展示了新组合高墩的草图。



图1.新组合高墩的设计理念。(a)纵视图,(b)横视图,(c)横截面。钢管混凝土柱:钢管混凝土柱。


新型复合高耸桥梁设计


桥梁原型


在本研究中,位于山区高速公路上的高墩桥被用作原型桥,如图2所示。该桥有两个57.5 m的侧跨和一个105 m的主跨。上层建筑是具有可变箱形截面的预应力混凝土连续刚梁。大梁使用抗压强度为50 MPa的C50混凝土。中间支撑处的大梁高度为6.0 m。在中跨和侧跨的末端减少到2.6 m。大梁的下边缘是二阶抛物线。P2,P3高墩是RC箱形截面墩,壁厚为0.8 m,高度为48 m。P1,P4墩是RC箱形截面墩,壁厚为0.8 m,高度为30 m。桥墩是用C40混凝土建造的。高墩的横向宽度为6 m,纵向宽度为4.2 m。GPZ(II)3DX和GPZ(II)3SX(“ GPZ(II)”表示一种盆形橡胶轴承。



图2. 原型桥的布局。


为了研究新型复合高墩的抗震性能,原型桥的P2,P3墩被新型复合高墩代替。同时,桥梁的其他部分与原型相同。设计新的复合高墩时,应遵循以下原则:


1.新的复合高墩的轴向承载能力相当于原型墩。


2.新的复合高墩在纵向上的高度和刚度等于原型。


根据上述设计原则,确定新的复合高墩的结构细节如下。EDMSP仅与CFST列连接。此外,在钢梁和EDMSP之间留有一定的间隔,以释放屈曲变形,同时不承受垂直载荷。因此,可以忽略EDMSP沿垂直方向的承载能力。竖向轴向载荷主要受CFST柱的抵抗。在侧向刚度方面,考虑了EDMSP的作用。为了获得与原型墩相似的机械性能,并保留墩盖的原型设计,新的复合高墩的截面尺寸应与原型墩相同(即6 m×4.2 m)。四个CFST色谱柱由Q345制成(“ Q”表示屈服点,f y = 345 MPa)钢管和C50(f ck = 50 MPa)混凝土。CFST柱之间的EDMSP由LYP100(低屈服点钢,f y = 100 MPa)钢板制成。LYP100的机械性能列于表1。另外,截面尺寸为400 mm×146 mm×16.5 mm的Q345型钢梁沿墩台高度每隔16 m安装一次。图3显示了新的复合高墩的配置。



图3. 新型复合高墩的设计。(a)横截面,(b)纵向视图。


表1. LYP100钢的机械性能。



结论


在强地震动特别是近断层地震动作用下,常规空心截面高墩桥的工作性能不理想。虽然有些方法在中、强地震作用下能提供令人满意的地震反应,但在强近断层地震动作用下仍有一些问题有待解决。传统的钢筋混凝土高墩由于缺乏专业的抗震设计理念和设计方法,易损坏,维修难度大。


基于抗震结构的概念,研究人员提出了一种新型组合高墩的结构设计方法和原则。摘要以某典型高速公路高墩桥墩为研究对象,提出了一种由四肢钢管混凝土柱、钢管混凝土柱和钢梁组成的新型高墩组合体系,以提高高墩桥墩的抗震性能。对原型高墩桥和新型组合高墩桥进行了静力和时程分析,比较了它们的抗震性能。


新型组合高墩能够提供令人满意的承载能力和稳定性,在基本荷载组合下的性能与常规钢筋混凝土高墩相当。在此基础上,新型复合高墩保持弹性,侧向位移与传统的钢筋混凝土高墩近似。两座桥梁的抗震性能均满足欧洲法规8规定的损伤限制要求。而传统的钢筋混凝土高墩在考虑DBEs的近断层地震动作用下,会出现较大的损伤,桥墩刚度急剧下降。同时,钢管混凝土柱和钢梁在地面运动输入过程中未发现损伤。对于新型复合高墩,只有EDMSPs产量较大。与传统的钢筋混凝土高墩相比,新型组合高墩的最大侧向位移显著降低。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/20/7377/htm



最新评论(0)条评论
取消

还没有人评论哦,抢沙发吧~

相关新闻推荐