系梁對(duì)雙肢薄壁高墩抗震性能影響分析

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(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊　050043)

0　引言

西部開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施使得我國(guó)西南、西北山區(qū)公路和鐵路的興建正方興日盛。由于西部地區(qū)特殊的地形地質(zhì)條件，橋梁跨越深溝峽谷或大江大河往往采用高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)形式。西部地區(qū)的初步調(diào)查表明：在已建成及正在設(shè)計(jì)規(guī)劃中的高等級(jí)公路中，墩高超過40 m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上[1]。

目前，對(duì)于高墩大跨橋梁的抗震設(shè)計(jì)還沒有專門的規(guī)范，都是參考《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02.01.2008)[2]和《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50111．2006)[3]進(jìn)行抗震分析設(shè)計(jì)。但是，在橋墩墩高方面，現(xiàn)行規(guī)范只對(duì)墩高不超過40 m的橋梁作了相關(guān)的規(guī)定。高墩剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，一般多采用薄壁墩，長(zhǎng)細(xì)比較大，縱向剛度較小，與中、低墩的抗震性能明顯不同，通常采用設(shè)置系梁的方式來改善其受力特性[4]。同時(shí)既有研究表明，系梁與墩身的剛度比、系梁的構(gòu)造參數(shù)及系梁設(shè)置的數(shù)量均對(duì)雙肢高墩的抗震性能具有一定的影響[5]。

基于此， 選取一座典型高墩大跨剛構(gòu)橋梁，通過ABAUQS建立雙肢薄壁高墩的空間精細(xì)化有限元分析模型，采用擬靜力分析方法，分析系梁的配筋率、配箍率，系梁-橋墩剛度比及系梁的設(shè)置數(shù)量對(duì)雙肢薄壁高墩滯回性能的影響，給出系梁合理的布置方式及抗震設(shè)計(jì)建議。

1　工程概況及有限元模型建立

本文依托某實(shí)際高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋。該橋全長(zhǎng)540 m，其跨徑布置為75 m+ 3×130 m+75 m。上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室預(yù)應(yīng)力箱型主梁，箱梁全寬12.0 m。雙肢薄壁墩為實(shí)心矩形截面，單肢截面尺寸為1.2 m×5.6 m，雙肢縱橋向軸距4.8 m。全橋主梁及橋墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，縱向受力鋼筋均為HRB335級(jí)鋼筋，箍筋均為HPB300級(jí)鋼筋。

首先建立全橋桿系模型，如圖1所示，得到橋墩墩頂壓力，然后在ABAQUS中建立2#雙肢薄壁高墩的精細(xì)化有限元模型，如圖2所示?；炷潦軌簯?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Kent-Park模型，如圖3所示，受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用下式[6]

圖1　全橋桿系模型

圖2　雙肢薄壁高墩實(shí)體模型

圖3　C50混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

(1)

式中，ft為混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，x=ε/εp,εp為混凝土的受拉峰值應(yīng)變，圖4為混凝土受拉應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系曲線。鋼筋受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用理想彈塑性材料的二折線模型?；炷敛捎?節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分三維實(shí)體單元(C3D8R)，鋼筋采用兩結(jié)點(diǎn)線性三維TRUSS單元(T3D2)。模型中在墩頂施加變幅值低周往復(fù)水平位移荷載作擬靜力分析。圖5為墩頂縱橋向位移加載控制曲線。

圖4　C50混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5　墩頂縱橋向水平位移加載曲線

2　系梁構(gòu)造參數(shù)影響分析

目前，規(guī)范對(duì)于系梁的規(guī)定并不明確，多數(shù)設(shè)計(jì)中對(duì)系梁的截面尺寸和配筋一般都是按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而這些對(duì)橋墩抗震性能的影響還鮮有人研究。改變系梁的縱筋配筋率、配箍率和系梁-橋墩的剛度比研究其對(duì)雙肢薄壁高墩的抗震性能影響。系梁-橋墩剛度比r如式(2)所示，不計(jì)混凝土中縱筋配筋率、配箍率影響，式中Ech,Ecp分別為系梁、橋墩的混凝土彈性模量，Ib,Ip分別為系梁、單肢橋墩的慣性矩，具體相關(guān)數(shù)值見表1，系梁位置為高墩1/2處，原系梁截面為5.6 m×0.8 m。

(2)

表1　系梁構(gòu)造參數(shù)

改變系梁構(gòu)造參數(shù)，得到墩頂?shù)牧?位移曲線如圖6～圖8所示。從圖6與圖7中可以得出，設(shè)置 1 道系梁時(shí)，改變系梁縱筋配筋率、配箍率，對(duì)雙肢薄壁高墩的滯回特性影響并不顯著。因此，提高系梁縱筋配筋率、配箍率用于抗震耗能效率較低。從圖8中可以得出，設(shè)置1道系梁時(shí)，改變系梁-橋墩剛度比，當(dāng)橋墩處于彈性階段，剛度比變化對(duì)抗震耗能有較小影響，當(dāng)發(fā)展到塑性階段，剛度比為0.36時(shí)，墩頂位移最小，有利于保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)。

圖6　配筋率影響墩頂力-位移曲線

圖7　配箍率影響墩頂力-位移曲線

3　系梁數(shù)量影響分析

系梁的設(shè)置數(shù)量會(huì)影響雙肢橋墩塑性鉸的出鉸位置、出鉸數(shù)量和出鉸順序等。根據(jù)工程實(shí)際情況，雙肢薄壁橋墩一般最多設(shè)置 3 道系梁。參數(shù)分析時(shí)，保持依托工程中系梁構(gòu)造參數(shù)不變，系梁截面尺寸為5.6 m×0.8 m，縱筋配筋率為1.65%，配箍率為0.43%，取系梁的數(shù)量分別為0，1，2，3，將系梁沿墩高均勻布置，系梁間距分別為45 m，22.5 m，15 m，11.25 m，得到橋墩墩頂力-位移曲線如圖9所示。

當(dāng)墩頂反力最大時(shí)，水平位移為70 mm。參照文獻(xiàn)[2]計(jì)算得到當(dāng)設(shè)置1道系梁時(shí)，墩頂容許位移為72 mm，計(jì)算前一滯回環(huán)消耗能量，即墩頂位移從0到70 mm的循環(huán)過程，如圖10所示。

圖8　剛度比影響墩頂力-位移曲線

圖9　系梁設(shè)置道數(shù)影響墩頂力-位移曲線

圖10　系梁設(shè)置數(shù)量耗能對(duì)比

從圖9和圖10中得到，雙肢薄壁高墩是否設(shè)置系梁以及系梁的數(shù)量對(duì)橋墩滯回特性影響較大。系梁數(shù)量設(shè)置越多、間距越小時(shí)，墩頂位移越小，滯回曲線發(fā)展越飽滿，越有利于抗震耗能。另外，隨著系梁設(shè)置數(shù)量增加，耗能增加比率下降。

4　結(jié)論

(1) 連續(xù)剛構(gòu)橋雙肢薄壁高墩系梁設(shè)置與否以及設(shè)置數(shù)量對(duì)橋墩滯回性能有較大影響。系梁數(shù)量設(shè)置越多時(shí)，墩頂水平位移越小，滯回曲線發(fā)展越飽滿，越有利于抗震耗能；但隨著系梁設(shè)置數(shù)量增加，耗能增加比率下降。

(2) 系梁構(gòu)造參數(shù)對(duì)橋墩耗能影響較小，影響效果從大到小為系梁-橋墩剛度比、系梁配筋率、系梁配箍率。建議抗震設(shè)計(jì)中選用系梁-橋墩剛度比為0.30～0.42之間，系梁選用構(gòu)造配筋率、構(gòu)造配箍率即可。

(3) 鑒于以上兩條，建議在滿足穩(wěn)定與施工穩(wěn)定的條件下優(yōu)先選用增加系梁數(shù)量的方法來提高橋墩耗能能力。

[1]梁智垚，李建中．橋梁高墩合理計(jì)算模型探討[J]．地震工程與工程振動(dòng)，2007， 27(2)：91-98．

[2]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部．JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S]．人民交通出版社，2008．

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB50111—2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京： 中國(guó)計(jì)劃出版社出版，2006．

[4]沈星,葉愛君，王曉偉.柔性橫系梁雙柱墩的抗震行為分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2013，41(3):342-347.

[5]蘭峰,王克海.中小跨徑雙柱式高墩柱橋梁橫系梁對(duì)抗震性能的影響[J].公路交通科技,2011,28(5):92-98.

[6]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)．GB50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010．