高墩橋梁減隔震設(shè)計(jì)的一種新思路—新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系

劉世佳 田圣澤 袁萬城

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092)

1 引言

隨著中國西南、西北山區(qū)高等級公路的興建，由于地形復(fù)雜，山高坡陡，很多橋梁不得不跨越河谷和深溝。調(diào)查表明，在已建成及正在設(shè)計(jì)規(guī)劃中的高等級公路中，橋墩超過40 m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上。這些高墩橋梁多為簡支梁橋、連續(xù)梁橋和剛構(gòu)橋［1］，其橋墩高度通常高達(dá)數(shù)十米甚至上百米。汶川大地震的橋梁震害，引起廣大橋梁設(shè)計(jì)者對山區(qū)高墩橋梁抗震的重視。目前高墩普遍采用延性設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的損壞不可避免，使得災(zāi)后對橋梁的修復(fù)變得困難。雖然減隔震設(shè)計(jì)可以避免結(jié)構(gòu)損傷，但高墩橋梁下部結(jié)構(gòu)較柔，不宜采用減隔震設(shè)計(jì)［2］。為了提高高墩橋梁采用減隔震技術(shù)的適用性，本文提出了一種新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系，并以某高墩橋梁為背景，從支座滯回耗能和結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)方面對比研究了高墩橋梁常規(guī)結(jié)構(gòu)體系和采用新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系的減隔震設(shè)計(jì)的抗震效果。

2 高墩橋梁應(yīng)用減隔震技術(shù)的探討

非減隔震體系依靠結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身具有的強(qiáng)度、延性、耗能能力來抵抗地震作用，或者選定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的特定部位屈服形成塑性鉸以降低剛度延長結(jié)構(gòu)周期進(jìn)而減小地震反應(yīng)，同時(shí)利用塑性鉸的滯回特性提供耗能能力。因此結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷是不可避免的，震后的修復(fù)工作比較麻煩。而減隔震技術(shù)通過設(shè)置減隔震裝置不但可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)抗震性能，而且可以避免結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷，當(dāng)減隔震裝置發(fā)生損傷時(shí)，替換比較簡單。有些情況下減隔震設(shè)計(jì)還是解決實(shí)際結(jié)構(gòu)抗震問題的唯一有效途徑［3］。

減隔震橋梁通常通過以下三種方式來實(shí)現(xiàn)減少結(jié)構(gòu)反應(yīng)的目的:一是利用減、隔震裝置的柔性來延長結(jié)構(gòu)體系的周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)(圖1);二是利用阻尼器或耗能裝置，來控制由于周期延長而導(dǎo)致的過大的墩、梁的相對位移(圖1);三是取消固定墩，使各墩共同分擔(dān)水平地震力，改善橋梁的內(nèi)力分布。

圖1 結(jié)構(gòu)的加速度譜和位移譜Fig．1 Acceleration response spectrum and displacement response spectrum

減隔震技術(shù)主要采用減隔震裝置來將結(jié)構(gòu)或構(gòu)件與可能引起其破壞的運(yùn)動(dòng)隔離或者依靠自身能力減小破壞作用:如使用減隔震支座將橋梁上部梁體在地震作用下產(chǎn)生的巨大慣性力通過放開梁體和橋墩水平約束、使兩者產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)的方式隔斷開;或是通過減隔震裝置自身的滯回耗能特性耗散輸入結(jié)構(gòu)的地震能;或是當(dāng)位移過大通過具有限位能力的裝置(如拉索減震支座)保證位移響應(yīng)控制在所需范圍內(nèi)。這些效果均以減隔震裝置在地震作用下充分“動(dòng)”起來為前提。如果減隔震裝置在地震作用下的力學(xué)狀態(tài)與靜力狀態(tài)一致或相似，即使減隔震裝置自身性能再優(yōu)良，也起不到預(yù)期的減隔震效果，而高墩橋梁回避減隔震設(shè)計(jì)的原因之一就在于減隔震裝置在高墩柔性體系下性能難以得到充分的發(fā)揮，所以一般高墩橋梁普遍使用延性抗震的設(shè)計(jì)方法。

通常情況下，高墩橋梁考慮采用減隔震技術(shù)時(shí)，對減隔震裝置的位置設(shè)計(jì)沒有考慮高墩柔性結(jié)構(gòu)和矮墩剛性結(jié)構(gòu)的差異而一致采用放置墩頂?shù)某Ｒ?guī)設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)方式難以擺脫減隔震裝置在結(jié)構(gòu)體系較柔的高墩橋梁使用時(shí)性能發(fā)揮欠佳的困境。

3 新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系

針對高墩橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擺脫減隔震裝置常規(guī)放置位置的約束，通過合理設(shè)置減隔震裝置的安放位置充分發(fā)揮減隔震裝置的抗震性能，可以作為優(yōu)化高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)方法的有效途徑之一。目前已有不少相關(guān)研究，如可以避免橋梁結(jié)構(gòu)在地震中損傷的基底隔震技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)之一［4－5］，但基底隔震技術(shù)地震作用下非線性程度很高，精確有效的數(shù)值模擬還難以實(shí)現(xiàn)。

考慮高墩橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及減隔震裝置的工作機(jī)理，本文提出一種新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系(圖2):將高墩在合適的位置分隔成兩部分，上部分與梁體固結(jié)形成框架式結(jié)構(gòu)，將原本設(shè)在墩頂?shù)闹ё乱浦翗蚨盏母魯嗵?，并在隔斷處等所需位置設(shè)置合理的構(gòu)造措施以滿足整個(gè)結(jié)構(gòu)的正常使用功能。

高墩隔斷體系將減隔震支座從難以發(fā)揮作用的墩頂調(diào)整到橋墩中間，在不改變橋墩原有截面和滿足道路設(shè)計(jì)高程的前提下，提高了橋梁下部結(jié)構(gòu)的剛度，有效調(diào)節(jié)了整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量的分配，支座可以發(fā)揮預(yù)期的減隔震性能，這樣，高墩橋梁采用減隔震設(shè)計(jì)就成為了可能［6］。同時(shí)，由于減隔震支座所在位置的高度降低，地震作用下支座水平力在承臺處產(chǎn)生的彎矩大大減小，降低了墩底和樁頂?shù)牡卣鹦枨蟆?/p>

圖2 新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系示意圖Fig．2 High-pier-partitioned structure system

除了抗震性能上的提高外，新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系讓梁式橋支座上部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更富于變化。如圖2所示，在上部結(jié)構(gòu)加上弧形肋，不但加強(qiáng)了上部結(jié)構(gòu)的整體性，地震作用下上部結(jié)構(gòu)的受力得到優(yōu)化，而且原本形式單一的梁式橋變得富有韻律，與山區(qū)環(huán)境更和諧統(tǒng)一。

4 兩種體系的橋梁模型的建立

以某高墩橋梁為背景建立SAP2000有限元分析模型，全橋孔跨布置為4×30 m，上部結(jié)構(gòu)為等高的混凝土箱梁，邊跨與橋臺相連。下部結(jié)構(gòu)為帶橫系梁的雙柱墩，墩高30～35 m?；A(chǔ)采用分離式承臺，承臺下面設(shè)置四根直徑1．2 m的鉆孔灌注樁。兩種結(jié)構(gòu)體系的橋臺和墩頂?shù)闹ё鶠槟壳笆褂幂^廣的鉛芯橡膠支座。相較于高墩常規(guī)減隔震體系，新型結(jié)構(gòu)體系的三個(gè)橋墩在中墩20 m高程處隔斷，在隔斷處放置鉛芯橡膠支座，上部橋墩與主梁固接，形成框架式結(jié)構(gòu)。

SAP2000動(dòng)力分析模型采用三維空間有限元分析模型(圖3)，其中主梁和橋墩用框架單元模擬，樁基礎(chǔ)采用等效的土彈簧單元模擬樁－土的相互作用，采用UCfyber程序計(jì)算樁基截面能力。用雙線性模型代替鉛芯橡膠支座的滯回模型，采用非線性連接單元模擬。地震波采用安評報(bào)告給出的反應(yīng)譜生成的七條人工地震波，地震波的加速度峰值為0．24 g，地震響應(yīng)取七條波的平均值。模型進(jìn)行非線性時(shí)程分析時(shí)，分別考慮縱橋向和橫橋向地震作用。

圖3 兩種體系的有限元模型Fig．3 Finite element model softwo systems

5 兩種體系的縱橋向地震響應(yīng)分析

5．1 支座滯回耗能分析

從支座滯回耗能來看，高墩隔斷體系的支座耗能明顯優(yōu)于常規(guī)體系，前者為后者的3．19倍至60．90倍(表1)，從兩種結(jié)構(gòu)體系5#地震波作用下P43橋墩左側(cè)支座的滯回曲線(圖4)也可以清晰地看出，高墩隔斷體系的支座滯回曲線更為飽滿，鉛芯橡膠支座的減隔震性能得到了充分的發(fā)揮，而常規(guī)體系的支座在地震作用下大部分時(shí)候處于彈性工作階段，并沒有發(fā)揮其減隔震的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

表1 每條地震波的支座的滯回耗能Table 1 Hysteresis energy dissipation of bearings in each seismic wave kJ

地震作用下，減隔震體系的滯回耗能占了結(jié)構(gòu)地震能量總輸入的很大一部分。文獻(xiàn)［7］研究表明:鉛芯橡膠支座隔震連續(xù)梁橋80%左右的地震輸入能被鉛芯橡膠支座的滯回耗能所消耗。同時(shí)，文獻(xiàn)［8］研究表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期與場地特征周期相近時(shí)，結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量的地震能量反應(yīng)曲線出現(xiàn)峰值。而兩種減隔震體系均為長周期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)基本周期與場地特征周期相距較遠(yuǎn)，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)單位質(zhì)量的地震輸入能差別不大，而支座耗能的表現(xiàn)差異明顯。

5．2 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析

縱橋向地震動(dòng)輸入時(shí)，高墩隔斷體系橋墩處支座位移為0．09 m左右，常規(guī)體系為0．05 m左右，僅看數(shù)值，后者的梁墩相對位移優(yōu)于前者，但是后者的支座并未發(fā)揮有效性能。高墩隔斷體系的目的之一是讓常規(guī)高墩體系下不能發(fā)揮有效減隔震作用的減隔震支座進(jìn)入減隔震狀態(tài)，而支座的位移仍能滿足支座設(shè)計(jì)位移要求。并且，高墩橋梁結(jié)構(gòu)較柔，橋墩自身的位移響應(yīng)也較大，當(dāng)比較高墩隔斷體系和常規(guī)體系梁體位移時(shí)，前者計(jì)算結(jié)果為0．17 m，而后者為0．24 m。橋臺處支座位移基本和梁體位移接近，當(dāng)關(guān)注橋臺處支座的位移響應(yīng)時(shí)，常規(guī)體系的支座位移不但大于高墩隔斷體系，而且已經(jīng)超出鉛芯橡膠支座的設(shè)計(jì)位移0．2 m，此時(shí)常規(guī)體系的橋臺支座已經(jīng)破壞而高墩隔斷體系的支座仍能正常工作。橋臺位置支座的破壞，很可能造成梁體與橋臺發(fā)生碰撞、梁體脫空甚至落梁，橋梁難以在震后繼續(xù)使用。而高墩隔斷體系的橋臺支座滿足支座設(shè)計(jì)要求，可以避免以上災(zāi)害發(fā)生。

圖4 兩種結(jié)構(gòu)體系支座滯回曲線對比Fig．4 Comparison of hysteresis energy dissipation of two systems

5．3 橋墩及基礎(chǔ)的內(nèi)力響應(yīng)分析

高墩隔斷體系縱橋向的內(nèi)力響應(yīng)與常規(guī)體系相比，橋墩墩底彎矩前者比后者降低了30% ～43%(圖5)。同時(shí)新型結(jié)構(gòu)體系上部結(jié)構(gòu)放開，上部橋墩的墩底與常規(guī)體系同高程橋墩截面的彎矩值也大大減小，前者僅為后者的39% ～43%(圖6)。

地震作用下考慮基礎(chǔ)的安全水準(zhǔn)時(shí)，通常要把地震動(dòng)軸力對基礎(chǔ)能力的影響考慮進(jìn)去。所以考慮地震動(dòng)軸力影響的樁基的截面抗彎能力與彎矩需求的比值體現(xiàn)了基礎(chǔ)綜合多種地震響應(yīng)影響下的安全富余度，更能體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)抗震性能的優(yōu)劣。從兩種結(jié)構(gòu)體系各個(gè)基礎(chǔ)最不利單樁的能力需求比(圖7)可以看出，隔斷體系的單樁能力需求比比常規(guī)體系提高了28% ～75%，也就說，同樣水準(zhǔn)的地震作用下，隔斷體系的基礎(chǔ)能力需求比常規(guī)體系更低。

6 兩種體系的橫橋向地震響應(yīng)分析

6．1 支座滯回耗能和結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析

橫橋向地震動(dòng)輸入時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)體系的橫橋向的支座位移為0．09 m左右;梁體位移差別也不大，高墩隔斷體系的梁體位移為0．159 m，而常規(guī)體系為0．174 m。因?yàn)殡p柱墩設(shè)置橫系梁增強(qiáng)了同排高墩的橫向聯(lián)系，雙柱墩的橫橋向剛度遠(yuǎn)大于縱橋向剛度，已有別于縱橋向的柔性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，支座的耗能的特性得以發(fā)揮。兩種結(jié)構(gòu)的橫橋向地震作用下的支座滯回耗能差別不大，高墩隔斷體系七條波的平均耗能僅比常規(guī)結(jié)構(gòu)體系提高19%左右。

6．2 系梁的內(nèi)力響應(yīng)分析

橫系梁增強(qiáng)了雙柱墩的橫向剛度，但這是以橫系梁承受較大的地震力為代價(jià)。如圖8所示，地震作用下，常規(guī)體系的橫系梁彎矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于新型結(jié)構(gòu)體系，前者高達(dá)后者的1．6倍。在這么大的作用力下，橫系梁早已屈服甚至破壞。橫系梁破壞后，同排兩個(gè)橋墩橫向聯(lián)系變?nèi)跎踔镣耆?。橋墩變?nèi)?，橫橋向的減隔震有效性必然降低。高墩隔斷體系通過將減隔震裝置調(diào)整到合理的位置，從而避免結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件在地震作用下的破壞。從這點(diǎn)看，高墩隔斷體系符合減隔震技術(shù)的設(shè)計(jì)理念。

圖5 兩種體系縱橋向墩底彎矩Fig．5 Comparison of longitudinal bending moment at the bottom of piers of two systems

圖6 兩種體系縱向橋墩隔斷處彎矩Fig．6 Comparison of longitudinal bending moment at the partitioned section of two systems

圖7 兩種體系縱向單樁能力需求比Fig．7 Comparison of longitudinal rate of capacity and demancl of two systems

6．3 橋墩及基礎(chǔ)的內(nèi)力響應(yīng)分析

橫橋向地震作用下，高墩隔斷體系的下部橋墩墩底的彎矩、上部橋墩墩底同高程橋墩截面的彎矩和單樁的能力需求比均優(yōu)于常規(guī)體系:前者下部橋墩墩底彎矩僅為后者的70% ～76%(圖9);前者上部橋墩墩底僅為后者同高程橋墩截面彎矩的39% ～56%(圖10);單樁的能力需求比前者比后者提高了25% ～58%(圖11)。

圖8 兩種體系橫向橋墩系梁的彎矩值Fig．8 Comparison of transverse bending moment of collar beams of two systems

圖9 兩種體系橫向墩底彎矩Fig．9 Comparison of transverse bending moment at the bottom of piers of two systems

圖10 兩種體系橫向橋墩隔斷處彎矩Fig．10 Comparison of transverse bending moment at the partitioned section of two systems

圖11 兩種體系橫向單樁能力需求比Fig．11 Comparison of transverse rate of capacity and demancl of two systems

7 結(jié)論

(1)高墩橋梁采用新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)，通過體系優(yōu)化，合理調(diào)整減隔震支座的安放位置，將“高墩”柔性體系變剛性體系，地震作用下，減隔震裝置充分發(fā)揮其預(yù)期設(shè)計(jì)性能，支座的滯回曲線飽滿，耗能效果突出。

(2)新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系不但可以合理分配結(jié)構(gòu)剛度、橋墩墩身質(zhì)量，有效控制梁體和橋臺處支座位移，而且由于支座位置的降低，支座水平力到墩底的距離大大減小，墩底處的彎矩大幅減小，降低了橋墩和基礎(chǔ)的地震需求。同時(shí)，橫橋向地震作用下還可以避免結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件橫系梁的破壞。

(3)新型高墩隔斷結(jié)構(gòu)體系的結(jié)構(gòu)形式新穎，符合減隔震設(shè)計(jì)理念，應(yīng)用于高墩橋梁的減隔震設(shè)計(jì)具有較為突出的優(yōu)點(diǎn)，但目前還只停留在概念設(shè)計(jì)階段，還有很多問題欠缺專門研究，比如橋墩中間支座上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及落墩問題、“橋墩－支座－橋墩”段的構(gòu)造連接細(xì)節(jié)問題等，但新型高墩隔斷體系為高墩橋梁采用減隔震技術(shù)提供了新的思路，拓展了減隔震技術(shù)的應(yīng)用范圍。

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