平转梁桥施工临时固结与球铰支撑地震响应研究

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随着基础设施建设的不断完善,逢山开路,遇水架桥的理念已经成为共识。越来越多的桥梁需要跨越山地、河流、峡谷等复杂地形,桥梁跨度与施工技术难度也越来越大。桥梁转体技术在跨越障碍物方面具有明显优势,但是施工工序较复杂,设备安装与转体要求精度高,且一般桥梁建造时间1-3年,对于复杂地形的转体桥梁项目工期可能会更长,这使得施工期间遭遇地震的风险不可忽略。转体桥悬臂施工期间将在桥墩与上部主梁间设置临时固结支撑(在上转盘下设置砂箱与钢管支撑形式,方便后续落梁)。在转体准备阶段,拆除临时支撑,此时仅球铰结构在桥墩与上部主梁间起支撑作用,以便于牵引预应力索使桥梁完成转体。根据桥梁现场施工情况,结合相关资料,本文开展悬臂挂篮施工阶段临时固结支撑与转体准备阶段临时支撑拆除时(仅球铰连接)的单墩单箱单室梁桥地震动力响应研究。得到以下结果:(1)通过查阅相关文献,对桥梁转体工艺特点、仅球铰支撑下点的运动规律进行总结与计算。提出在撑脚平面内,球铰与定位销轴发生接触时以θ1=0.37°作为判断竖平面安全与危险分界指标,以θ2=0.57°作为判断竖平面撑脚-滑动面接触判据指标。以θ3=0.72°、θ4=0.95°作为纵平面、横平面倒塌危险性指标。(2)通过类比摩擦摆隔震结构力学与运动学特性,构建转体桥结构两质点、三质点、多质点的运动学模型,计算两质点模型在7度多遇(0.05g)、设计(0.15g)与罕遇(0.32g)EL-Centro地震动下,上球铰及转盘加速度峰值分别为:1.2889 m/s2、3.8530 m/s2和 10.4030m/s2,主梁结构加速度为 0.2696 m/s2、0.8097 m/s2、1.7441 m/s2。上球铰相对下球铰位移峰值5.7mm、16.2mm和37.4mm。由此可以看出转体桥的主梁结构加速度降低,球铰曲面起到隔震效果。在多遇与设计地震下桥梁结构较安全,但是罕遇地震下上球铰及护筒混凝土和定位轴发生了碰撞。(3)开展施工过程中临时固结状态与仅球铰支撑状态下桥梁的数值模拟,取两种状态下前10阶模态,比较显示临时固结状态第1阶频率为1.537Hz,球铰支撑时为0.496Hz,且振型均为水平面转动,第2、3阶振型均为顺桥面、横桥面转动,高阶振型表现为空间扭转特征。由此显示出球铰支撑下,转体桥结构更“柔”的特性,空间的运动形式也更加复杂。采用EL-Centro地震动(适用于Ⅱ类场地)和天津波(南北向,适用于Ⅲ-Ⅳ场地),在顺桥向与横桥向单独施加,开展临时固结状态与球铰支撑状态下桥梁7度多遇、设计与罕遇地震时程分析,共计24个工况。通过计算可以得到,球铰支撑时桥墩墩顶、主梁结构加速度明显小于临时固结情况。计算了各个情况下的结构动力响应及球铰支撑时主梁的扭转角。举例给出了7度设计地震下顺、横桥向加速度、位移时程曲线,进行了对比分析。(4)开展转体阶段仅球铰支撑的1/40缩尺模型振动台试验,划分12个工况,以研究试验模型在单向不同地震动、不同加速度峰值以及施工过程中桥梁方向与地震动夹角变化时,桥梁结构动态响应。其中,工况1(加速度峰值0.15g的EL-Centro地震动沿主梁方向施加)梁端点的沿桥向加速度都基本稳定在0.5m/s2。竖向加速度基本稳定在0.8m/s2,梁中点竖向加速度基本稳定在0.2m/s2,与数值模拟结果较一致。对比同一地震动同一加速度幅值下,不同夹角时主梁顶沿桥向与垂直桥向加速度发现:沿桥向加速度幅值随地震动与主梁方向夹角的增大而减小;垂直桥向加速度幅值随地震动与主梁方向夹角的增大而增大,并且不同地震动下都有此规律。通过计算所有工况下主梁的不同研究平面内转角得到:不管是EL-Centro还是Northridge地震动,在罕遇地震下主梁各个平面内转角得到最大值。其中EL-Centro地震动最大水平、纵、横平面内转角分别为 0.84°、0.5280°和 1.2283°。Northridge 地震动为 0.7470°、1.1920°和 1.1910°。通过对比球铰-销轴、撑脚-滑道、纵横平面倒塌等判据发现,当输入地震动方向与主梁方向垂直时(横桥向输入),桥梁主梁最易倾覆,危险性最高。
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