克孜河预应力渡槽工程顺槽向抗震减震技术方案研究

2019-05-13 03:56黄劲柏蒋海英潘崇仁
水利与建筑工程学报 2019年2期
关键词:铅芯渡槽板式

黄劲柏,蒋海英,潘崇仁

(1.新疆喀什噶尔河流域管理局, 新疆 喀什 844000;2.水利部 新疆自治区水利水电勘测设计研究院, 新疆 乌鲁木齐 830000)

大跨度预应力渡槽由于槽体内存在大量水体,槽墩上部结构重量将远大于一般桥梁上部结构重量,具有“头重”、“ 脚轻”、“身柔”的特点,对抗震和工程减灾较为不利[1-2],国内外研究总结了大型渡槽中应用隔震技术的主要目标,提出大型渡槽的地震反应分析方法,应用隔震技术可以改变结构振动特性,减少槽身地震反应[2-3];通过采用抗震减震支座作为阻尼装置,可增加结构耗能能力,进一步降低渡槽各部位的地震应力反应,提高整体渡槽的抗震性能[4-5]。因此,地震作用成为渡槽结构设计的控制性工况,对整个结构安全性具有极其重要意义。如南水北调双洎河渡槽工程所处地区抗震设防烈度为Ⅶ度,槽身单跨长30 m,重量2 500 t,采用了摩擦摆式减震支座[6];泜河渡槽工程所处地区抗震设防烈度为Ⅶ度,采用了阻尼抗震球形支座[7];云南省坝塘工程倒虹吸跨河大桥工程所处地区设计地震烈度高达Ⅸ度,首次引入铅芯一橡胶支座减震技术[8]。

克孜河南岸干渠跨克孜河渡槽工程处于南天山与西昆仑山交汇地带的克孜河出山口近冲洪积平原区,在新疆疏附县克孜河南岸干渠桩号+500—1+240(跨克孜河)处,属于新疆喀什噶尔灌区续建配套与节水改造工程组成[9]。渡槽采用双厢互联式矩形结构,槽身纵向设置预应力,共22跨,每跨长30 m,共660 m,渡槽混凝土设计强度等级为C50[9]。参照附近类似工程的安全性评价结论,工程区50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.3g,相应的地震基本烈度为Ⅷ度[10]。因此有必要针对渡槽结构设计中支座抗震减震中存在的难点问题,提出抗震减震方案措施,开展渡槽结构抗震减震技术方案研究。

1 渡槽结构抗震减震设计

1.1 支座初步选型

参照交通类规范,渡槽宜采用构造简单、性能可靠的抗震减震装置,且应在其性能明确的范围内使用。同时应考虑其可更换性要求,能够进行定期维护和检查[11]。结合本渡槽工程具体情况,开展普通板式橡胶支座、四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座三种方案,其中普通板式橡胶支座具有一定的抗震性能[12],而四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座抗震性能良好。根据液体黏滞阻尼器减震原理,只要铅芯隔震橡胶支座设计得当,完全可以达到液体粘滞阻尼器的减震效果[13-14]。本渡槽工程抗震减震计算不考虑液体粘滞阻尼器方案。

根据运行环境条件和工程实际情况,本渡槽工程分别选用GYZ750×171(NR)的圆形普通板式橡胶支座、GYZF4750×174(NR)双向四氟板式橡胶支座、Y4Q770×232G0.8的圆形铅芯隔震橡胶支座进行初步对比分析的支座类型[9]。

1.2 抗震减震计算方法

参照公路规范[15],根据渡槽建筑物级别3级及当地情况,渡槽抗震设防类别确定为B类。即抗震设防目标:在E1地震作用下,渡槽不受损坏或不需修复可继续使用;在E2地震作用下,不致倒塌或产生严重结构损伤,经临时加固后可供维持应急输水使用。其中E1地震作用是指重现期为475 a的地震作用,E2地震作用是指重现期为2 000 a的地震作用[1]。这里按照E1地震作用进行渡槽弹性抗震减震计算分析。

地震作用采用设计加速度反应谱方法,阻尼比ξ为0.05的水平设计加速度反应谱中,任意时点的水平设计加速度反应谱值S可由式(1)确定。

(1)

式中:Tg为特征周期,s;T为结构自振周期,s;Smax为水平设计加速度反应谱最大值。

水平设计加速度反应谱最大值Smax可由式(2)确定。

Smax=2.25CiCsCdAh

(2)

式中:Ci为渡槽抗震重要性修正系数;Cs为场地系数;Cd为阻尼调整系数;Ah为水平向设计基本地震动峰值加速度。

当取结构阻尼比ξ为0.05时,阻尼调整系数应取Cd=1.0;当结构阻尼比不等于0.05时,阻尼调整系数Cd应按式(3)计算。

(3)

渡槽总长度740 m,两边跨均为10 m,24中跨均为30 m,共计26跨,部分计算参数取值见表1。本渡槽槽墩为桩基排架墩,可假设为柔性墩,由于普通板式橡胶支座的存在,渡槽各跨上部结构及各墩顶之间存在明显的动力耦联作用,支座提供的上部结构与墩顶之间的约束作用可视为水平弹性支承,其抗推刚度即为Ks。参照文献[11],普通板式橡胶支座渡槽结构整体体系顺槽向抗震计算简图见图1。

根据工程经验和支座厂家技术资料,取圆形普通板式橡胶支座的剪变模量Ge=1.2 MPa,支座与混凝土接触时的摩擦系数μ=0.3;四氟板式橡胶支座取μf=0.060下滑板支座摩擦力克服后进行计算分析;圆形铅芯隔震橡胶支座的剪切弹性模量0.8 MPa,该支座水平等效刚度即抗推刚度Ks=2.6 kN/mm、等效阻尼比ξ=0.193。

表1 部分计算参数

图1渡槽结构整体体系顺槽向抗震计算简图

2 计算结果与分析

根据上述抗震减震计算方法和桩基排架墩渡槽工程计算方法[11,15],槽内水体对渡槽结构地震反应的影响采用动水压力附加质量的方式模拟[16],编制了渡槽结构支座抗震减震计算分析程序[11],用以分析渡槽结构自振周期、排架墩地震响应、上部结构地震位移和上部结构支座剪切变形等。

2.1 渡槽结构自振周期分析

渡槽结构顺槽向自振周期计算结果见表2,从表2可知,采用普通板式橡胶支座的渡槽结构整体体系顺槽向基本自振周期为3.923 s,由于上部结构(包括水体)质量大,渡槽结构较柔,基本自振周期较长。如果上部结构一端保留普通板式橡胶支座,另一端设置四氟板式橡胶支座,左槽台上部结构、1#墩—24#墩、25#墩基本自振周期分别减小67.2%、24.8%、55.9%。如果简支梁两端均设置4只圆形铅芯隔震橡胶支座,则渡槽结构整体体系基本自振周期变化不大,减小1.8%;普通板式橡胶支座的渡槽结构整体体系顺槽向第二阶基本自振周期为0.360 s。设置四氟板式橡胶支座后,各墩第二阶基本自振周期增加18.9%。设置铅芯隔震橡胶支座后,体系第二阶基本自振周期增加12.5%。

结构抗震设计首先是结构基本周期避开场地特征周期,本渡槽工程场地特征周期Tg为0.450 s,根据这三种支座抗震减震结构顺槽向基本周期计算结果,基本周期均避开场地特征周期,尤其是普通板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座渡槽结构,有利于抗震。但第二阶基本自振周期在0.360 s~0.428 s范围,即0.1 s≤T2≤Tg,均会发生二阶共振。

表2 渡槽结构顺槽向自振周期汇总表

2.2 排架墩地震响应分析

减震系数定义为四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座渡槽结构与普通板式橡胶支座结构地震响应比值,得到渡槽结构整体体系顺槽向排架墩地震响应减震效果比较见表3,由表3可知,采用普通板式橡胶支座的渡槽结构整体体系顺槽向排架墩墩顶加速度为0.291g,墩顶位移8.113 mm,墩底剪力541.791 kN,墩底弯矩5 797.168 kN·m。相对于普通板式橡胶支座结构而言,四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座渡槽结构顺槽向排架墩地震响应明显降低,特别是四氟板式橡胶支座的墩顶位移,大多数墩的墩顶位移只有普通板式橡胶支座结构的0.336倍,四氟板式橡胶支座结构墩顶其他地震响应减震系数变化不大,为0.577~0.612,平均0.590,即墩顶加速度、墩底剪力、墩底弯矩平均只有普通板式橡胶支座结构的0.590倍。铅芯隔震橡胶支座渡槽结构减震系为0.512~0.632,平均0.595,即排架墩地震响应平均只有普通板式橡胶支座结构的0.595倍。

表3 渡槽结构整体体系顺槽向排架墩地震响应减震效果比较

2.3 上部结构地震位移响应分析

渡槽结构整体体系顺槽向上部结构位移地震响应减震效果比较见表4,由表4可见,采用普通板式橡胶支座的渡槽结构整体体系顺槽向上部结构位移边跨为6.612 mm、中跨13.291 mm~13.358 mm,中跨比较大。渡槽结构整体体系顺槽向上部结构位移地震响应减震效果比较表3。相对于普通板式橡胶支座结构而言,四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座渡槽结构顺槽向上部结构位移地震响应明显降低,尤其是四氟板式橡胶支座结构,四氟板式橡胶支座结构上部结构位移地震响应减震系数为0.392~0.560,大多数为0.454,即上部结构位移地震响应大多数只有普通板式橡胶支座结构的0.454倍。铅芯隔震橡胶支座渡槽结构减震系为0.621,即上部结构位移地震响应为普通板式橡胶支座结构的0.621倍。

2.4 上部结构支座剪切变形响应分析

渡槽结构整体体系顺槽向上部结构支座剪切变形响应减震效果比较见表5,由表5可知,采用普通板式橡胶支座的渡槽结构整体体系顺槽向上部结构支座剪切变形总的来说不大,边跨为1.444 mm、中跨5.235 mm~5.302 mm,中跨略大。相对于普通板式橡胶支座结构而言,四氟板式橡胶支座渡槽结构顺槽向上部结构支座剪切变形边跨有所放大,为普通板式橡胶支座结构的1.419~1.796倍,其他跨剪切变形明显减小,减震系数为0.654~0.663,大多数为0.654,即剪切变形只有普通板式橡胶支座结构的0.654倍。铅芯隔震橡胶支座渡槽结构顺槽向上部结构边跨剪切变形极小,其他跨也有所降低,减震系数为0.795~0.797,大多数为0.795,即剪切变形为普通板式橡胶支座结构的0.795倍。

表4 渡槽结构整体体系顺槽向上部结构位移地震响应减震效果比较

表5 渡槽结构整体体系顺槽向上部结构支座剪切变形响应减震效果比较

3 抗震减震方案建议

3.1 抗震减震支座比选

根据以上分析,综合比较渡槽顺槽向及横槽向自振周期、排架墩地震响应、上部结构地震位移响应、上部结构剪切变形响应,提出抗震减震方案建议。渡槽结构抗震减震效果综合比较一览表列于表6。

表6 渡槽结构抗震减震效果综合比较一览表

注:表中☆、☆☆、☆☆☆分别指抗震减震效果指标项为尚可、较好、最好。

根据初步设计资料,本渡槽工程普通板式橡胶支座、四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座三种方案由于基本周期避开场地特征周期均较远,地震响应都不是很大。相对而言,普通板式橡胶支座大多数抗震减震效果指标项为☆,☆☆、☆☆☆分别只有一项,即大多数抗震减震效果尚可;四氟板式橡胶支座大多数为☆☆☆,☆、☆☆分别为三项、二项,即四氟板式橡胶支座大多数抗震减震效果指标项为最好,但存在尚可指标项;铅芯隔震橡胶支座大多数为☆☆,占71.4%,其余28.6%为☆☆☆,即铅芯隔震橡胶支座大多数抗震减震效果指标项为较好,部分指标项为最好,不存在尚可指标项。因此结合《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[17](NB 35047—2015)抗震措施要求,建议采用Y4Q770×232G0.8的圆形铅芯隔震橡胶支座方案。

3.2 校核分析

根据设计方案,对选用的圆形铅芯隔震橡胶支座方案开展渡槽整体体系顺槽向基本周期见表7,排架墩、上部结构最大地震响应计算结果见表8。顺槽向基本周期在空槽、设计流量水深、加大流量水深三种工况下分别为1.592 s、2.078 s、2.106 s,相对于空槽增加了30.5%和32.3%。槽结构设计选定方案整体体系顺槽向最大地震响应比较见表7,渡槽结构设计选定方案整体体系顺槽向墩顶最大加速度三种工况下均为0.183g。空槽、设计流量水深、加大流量水深三种工况下墩顶最大位移分别为0.541 mm、0.650 mm、0.656 mm,后两种工况比空槽增加20.1%、21.3%。空槽最大墩底剪力、墩底弯矩分别为237.038 kN、2 536.305 kN·m,设计流量水深、加大流量水深工况下略有增加。空槽、设计流量水深、加大流量水深三种工况下上部结构最大位移分别为3.497 mm、4.551 mm、4.611 mm,后两种工况比空槽增加30.1%、31.9%。空槽、设计流量水深、加大流量水深三种工况下支座最大剪切变形分别为3.060 mm、3.984 mm、4.037 mm,后两种工况比空槽增加30.2%、31.9%。

表7 渡槽结构设计选定方案整体体系顺槽向基本周期比较

表8 渡槽结构设计选定方案整体体系顺槽向最大地震响应比较

4 结 论

克孜河南岸干渠跨克孜河渡槽工程特点,论文初步选定了普通板式橡胶支座、四氟板式橡胶支座、铅芯隔震橡胶支座三种方案作为抗震减震橡胶支座,从结构顺槽向基本周期、排架墩地震响应、上部结构位移地震和上部结构剪切变形等角度对比分析抗震减震效果,可得到以下主要结论:

(1) 三种方案的基本周期避开场地特征周期均较远,地震响应均有所降低。但铅芯隔震橡胶支座大多数抗震减震效果指标项为较好,部分指标项为最好,不存在尚可指标项,综合抗震减震效果指标项为最优,可作为推荐设计方案。

(2) 顺槽向基本周期、排架墩、上部结构最大地震响应周期在设计流量水深、加大流量水深两种工况相对于空槽工况平均增加较多,但均远远小于采取措施前的水平,说明采取铅芯隔震橡胶支座效果明显,可以增加结构耗能能力,有利于降低渡槽地震应力反应。

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