基于准隔震理念的新型软钢限位装置力学性能研究

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桥梁作为公路交通的重要环节,其抗震性能关乎到人民生命财产安全。传统延性抗震设计理念对桥墩设计要求较高,往往导致震后墩柱产生显著的残余位移,影响桥梁震后的交通功能的恢复。汶川震害表明,大量桥梁通过钢筋混凝土限位挡块剪断或支座滑移等方式控制上部结构地震力向下传递,保护了墩柱。这种缺乏自复位能力的“隔震”设计理念被称为“准隔震理念”,准隔震行为虽然有利于保护墩柱等下部结构,但是上部结构大量的地震力无法释放,容易造成墩梁相对位移过大而落梁。本文基于准隔震设计理念,提出采用蝶形软钢限位装置作为横向限位构件,与横向活动支座联合作用形成具有横向限位和耗能能力的准隔震约束体系,然后将这种新型的准隔震约束体系引入斜拉桥的低矮边墩当中,以解决斜拉桥的横向抗震难题。本文首先分别采用理论、试验、数值模拟等方法对蝶形软钢限位装置的力学性能进行研究,然后通过数值模拟,基于参数分析法探讨软钢限位装置耗能肋尺寸变化对其滞回性能和耗能能力的影响规律;最后以低矮边墩斜拉桥为背景桥例,引入了软钢限位装置+活动支座的准隔震约束体系,对比研究了准隔震约束体系和其他3种常规体系对斜拉桥横向抗震性能的影响,给出了准隔震约束体系的参数优化方法和优化效果,本文主要工作及结论如下:(1)提出了一种由蝶形软钢板组成的新型耗能限位装置,对其耗能原理和力学性能进行了理论分析,然后设计并制作了4个限位装置试件,通过自制的加载设备开展了拟静力试验研究。结果表明,在钢板屈曲前,试件滞回曲线饱满,加载中后期滞回曲线出现“捏缩”现象,伴随塑性铰的出现,同时割线刚度退化,耗能能力弱化,随着位移荷载变大,“捏缩”现象加重;4个试件的强度、刚度、耗能总量与耗能肋个数大致呈线性关系,而增大耗能肋端部宽度有利于提升限位装置的整体强度;4个试件屈服强度的解析结果与试验结果接近,而初始刚度解析值则大于试验值。(2)采用ANSYS软件对新型限位装置进行了数值模拟分析,通过数值模拟与试验结果的对比,验证了有限元模型的可靠性。结果表明,数值模拟和试验结果得到的试件初始刚度相差4.9%、屈服强度相差5.0%,吻合较好;从滞回曲线来看,二者均呈现加载前期饱满,后期“捏缩”的滞回形态;从变形来看,数值模拟略晚于试验出现屈曲,随着荷载位移增大,二者屈曲程度逐渐趋于一致;从数值结果来看,由于试验中约束不足导致装置出现轻微滑移,试验测得耗能量略小于数值模拟,而试验荷载大于数值模拟是因为试验测量值包含了装置产生的摩擦力损失。(3)基于数值模拟方法开展了新型限位装置力学性能参数分析,探讨了关键几何参数对限位装置抗震性能的影响规律。结果表明,软钢限位装置的初始刚度和屈服强度与耗能肋个数线性相关,但改变耗能肋个数并不能有效改变限位装置的无量纲滞回特性,对“捏缩”的出现也没有影响;增大耗能肋宽度可以改变软钢限位装置滞回曲线的饱满程度并增加耗能能力;降低蝶形钢板高厚比,有利于延后或防止软钢限位装置出现屈曲。总之,改变耗能肋宽度和高厚比均会影响滞回曲线的捏缩形态,是影响软钢限位装置滞回特性的关键参数。(4)针对斜拉桥低矮边墩的横向抗震难题,引入准隔震理念,提出新型软钢限位装置+活动球钢支座的横向准隔震约束体系,基于非线性时程分析方法对比研究了“固定体系”、“滑动体系”、“减震体系”、“准隔震体系”4种横向约束体系对低矮边墩斜拉桥抗震性能的影响,同时针对准隔震约束体系开展了参数优化研究。结果表明,传统的横向固定体系上部结构惯性力向下大量传递,低矮边墩损伤严重,滑动体系缺乏横向限位能力,造成支座位移超限且主梁位移最大,减震体系由于缺乏墩梁相对位移无法发生塑性变形而耗能,地震响应与固定体系相似,而准隔震体系既可以为主梁提供横向刚度又可以利用塑性变形降低上部结构地震力向下传递,保护低矮边墩处于弹性状态,是4种横向约束体系中的最优体系;参数优化结果显示限位装置强度过大和过小均不利于抗震设计,强度过大会加重边墩延性需求和塔底内力响应,设置合理的限位装置参数才能发挥最优的抗震效果;同时发现,不同地震强度对软钢限位装置的强弱需求不同,大地震需要大强度的软钢限位装置。
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