三柱門架墩結(jié)構(gòu)抗震分析研究

高 濤

(北京建達(dá)道橋咨詢有限公司 北京市 100015)

門架墩占用空間少，對(duì)于跨線橋梁以及下部墩柱位置受限區(qū)域優(yōu)勢明顯，可以避免上部大跨結(jié)構(gòu)、節(jié)省造價(jià)。尤其在城鎮(zhèn)化程度高、對(duì)橋下空間綜合開發(fā)利用要求高的地區(qū)已得到了廣泛的應(yīng)用。

1 工程概況

中山西環(huán)高速公路位于珠三角區(qū)域的廣東省中山市，常規(guī)路段上部結(jié)構(gòu)采用30m、35m跨徑先張法Bulb-T梁，下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱墩、雙柱墩及三柱門架墩。對(duì)其中的跨徑為35m標(biāo)準(zhǔn)工字梁橋進(jìn)行抗震驗(yàn)算。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

跨徑：3×35m(一聯(lián))； 橋墩結(jié)構(gòu)：三柱式橋墩；設(shè)計(jì)速度：100km/h；支座類型：GJZ400×450×99型板式橡膠支座； 橋面寬度：2×16.25m；地震烈度：基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，按Ⅷ設(shè)防；設(shè)計(jì)荷載：公路I級(jí)；行車道數(shù)：雙向六車道； 設(shè)計(jì)使用壽命：100 年。

橋墩一般構(gòu)造如圖1所示，其中中墩為2m×2m方墩，配2排28號(hào)鋼筋，邊墩為直徑1.6m圓墩，配一排半32號(hào)鋼筋；樁基直徑1.8m，配一排32號(hào)鋼筋。

2 抗震性能要求

2.1 性能要求及驗(yàn)算指標(biāo)

參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)規(guī)定，本橋?qū)儆贏類橋梁?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)為：當(dāng)橋梁遭受E1地震作用時(shí)，橋梁不受損壞或不需修復(fù)即可使用；當(dāng)橋梁遭受E2地震作用時(shí)，橋梁可發(fā)生局部輕微損傷，不需修復(fù)或經(jīng)簡單修復(fù)可繼續(xù)使用。

圖1 橋墩一般構(gòu)造圖(單位：cm)

2.2 抗震驗(yàn)算方法

抗震驗(yàn)算包括抗彎和抗剪兩部分。

(1)抗彎驗(yàn)算方法

按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定，核心混凝土采用Mander模型，鋼筋采用雙線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。采用軟件midas/civil內(nèi)部計(jì)算關(guān)鍵截面的彎矩-曲率曲線，得到鋼筋混凝土構(gòu)件的首屈彎矩和等效屈服彎矩。

(2)抗剪驗(yàn)算方法

詳見下文塑性階段驗(yàn)算的剪力驗(yàn)算。

2.3 地震作用

考慮順橋向、橫橋向及豎向地震作用，分別進(jìn)行反應(yīng)譜和時(shí)程分析。本橋抗震設(shè)防類別為A類，E1地震取重現(xiàn)期為475年地震動(dòng)，E2地震取重現(xiàn)期為1975年地震動(dòng)。根據(jù)一般場地條件，確定基本烈度為Ⅶ度。

在《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》中，采用基巖地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系，對(duì)各周期點(diǎn)進(jìn)行概率危險(xiǎn)性計(jì)算，得到中山西環(huán)高速公路50 年超越概率水平為 10%(重現(xiàn)期約 475 年)和 2.5%(重現(xiàn)期約 1975 年)的基巖地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜。在報(bào)告中，按照地震安全性評(píng)價(jià)Ⅱ級(jí)工作的技術(shù)要求，對(duì) 100 年超越概率水平為 63%、50年超越概率水平為10%和2.5%分別給出工程場地六條人造基巖地震動(dòng)的隨機(jī)樣本時(shí)程，根據(jù)規(guī)范要求，本橋取前3條地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行抗震分析。E2作用下反應(yīng)譜曲線和部分地震動(dòng)時(shí)程分別如圖2、圖3所示。

圖2 地震動(dòng)反應(yīng)譜(重現(xiàn)期1975年)

圖3 地震動(dòng)時(shí)程波(重現(xiàn)期1975年)

3 橋梁模型

建模計(jì)算采用有限元軟件MIDAS/civil程序進(jìn)行，模型均為梁單元。整體計(jì)算模型如圖4所示。模型關(guān)鍵位置圖見圖5。

圖4 整體模型圖

圖5 模型關(guān)鍵位置圖

3.1 邊界條件

橫向擋塊應(yīng)用一般連接中的間隙單元模擬，板式橡膠支座采用一般連接中的滯后系統(tǒng)模擬非線性，支座具體數(shù)據(jù)如表1所示，本模型考慮樁土的共同作用，用點(diǎn)彈簧模擬樁的邊界條件，土彈簧水平剛度采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)計(jì)算，動(dòng)力計(jì)算m取值為靜力時(shí)的2.5倍。豎向剛度根據(jù)摩擦樁承載力進(jìn)行估算，同時(shí)樁底固結(jié)。

表1 支座數(shù)據(jù)表

3.2 塑性鉸單元

時(shí)程分析時(shí)，對(duì)于可能發(fā)生塑性變形的單元即橋墩單元采用纖維單元模擬，橋墩單元截面如圖6所示。

圖6 纖維單元圖

3.3 荷載組合

組合1：1.0×自重+1.0×豎向地震力Ez+1.0×橫橋向地震力Ey；

組合2：1.0×自重+1.0×豎向地震力Ez+1.0×順橋向地震力Ex。

4 反應(yīng)譜分析

為滿足本橋“小震不壞，大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)，應(yīng)分別進(jìn)行E1作用下的強(qiáng)度計(jì)算和E2作用下的延性計(jì)算。鑒于本橋由靜力計(jì)算所確定的截面尺寸較大，經(jīng)試算，E1作用下強(qiáng)度滿足要求，且具有較大冗余度。依據(jù)E1地震響應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)及長期設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在該截面尺寸下，橋墩仍有可能在E2地震作用下保持彈性?？拐鹦阅茯?yàn)算中，假設(shè)在永久作用+E2地震作用下橋墩仍處于彈性狀態(tài)，不對(duì)其截面剛度進(jìn)行折減，計(jì)算橋墩關(guān)鍵截面是否仍保持彈性。

根據(jù)規(guī)范要求，多柱式橋墩抗震驗(yàn)算時(shí)，橫橋向地震作用下需要驗(yàn)算墩頂和墩底截面，順橋向地震作用下驗(yàn)算墩底截面。本橋沿中跨跨中和橋梁中心線對(duì)稱，所以只驗(yàn)算2號(hào)橋墩中墩和邊墩及下部的①②號(hào)樁基礎(chǔ)詳見圖5。本橋的反應(yīng)譜分析驗(yàn)算考慮兩種最不利的工況，即關(guān)鍵截面處的最大軸力及對(duì)應(yīng)的最大彎矩和最小軸力及對(duì)應(yīng)的最大彎矩。

E2地震作用下橫向和縱向關(guān)鍵截面處內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

計(jì)算結(jié)果表明，E2地震作用下橋墩截面仍保持為彈性，不再進(jìn)行塑性驗(yàn)算。同時(shí)，反應(yīng)譜計(jì)算表明：彎矩一致情況下，較小軸力的工況控制計(jì)算。

5 時(shí)程分析

關(guān)鍵驗(yàn)算截面與反應(yīng)譜分析相同。首先考慮E2作用下的3個(gè)地震波在各關(guān)鍵截面所產(chǎn)生的最不利彎矩M，然后根據(jù)彎矩曲率關(guān)系數(shù)值分析求得軸力作用下的等效屈服彎矩My，如果My大于M，則需要進(jìn)一步做塑性分析。

表2 E2地震作用下關(guān)鍵截面處內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

E2地震作用下橫向和縱向關(guān)鍵截面處內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果如表3所示。

表3 E2地震作用下關(guān)鍵截面處內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果

E2地震作用下，彈性階段不滿足要求，中墩的墩頂及墩底在橫橋向和順橋向進(jìn)入塑性階段，需要進(jìn)行塑性驗(yàn)算。塑性階段驗(yàn)算如下：

(1)剪力驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范要求，墩柱塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的斜截面抗剪強(qiáng)度應(yīng)按下列公式驗(yàn)算：

橋墩橫向和縱向剪力計(jì)算結(jié)果如表4所示：

表4 剪力計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明：橋墩橫向和縱向抗剪計(jì)算滿足要求。

(2)橋墩墩頂位移驗(yàn)算

根據(jù)抗震規(guī)范要求，順橋向容許位移按下式計(jì)算:

橫橋向的容許位移采用PUSHOVER方法計(jì)算，建立三柱墩模型，定義橋墩墩頂和墩底為六個(gè)塑性鉸區(qū)域，保持上部恒載壓力不變，施加水平荷載，當(dāng)墩柱的任一塑性鉸達(dá)到其最大容許轉(zhuǎn)角時(shí)，蓋梁處的橫向水平位移即為容許位移。

橋墩橫向和縱向位移計(jì)算結(jié)果如表5所示。

計(jì)算結(jié)果表明：橫向和縱向位移驗(yàn)算均滿足要求。

6 結(jié)論

(1)E2地震作用下，反應(yīng)譜分析橋墩在彈性范圍之內(nèi)，未進(jìn)入塑性階段，滿足抗震要求；時(shí)程分析則進(jìn)入塑性階段，需進(jìn)行塑性鉸抗剪和位移驗(yàn)算，滿足抗震規(guī)范要求。

表5 橋墩墩頂位移計(jì)算結(jié)果

(2)反應(yīng)譜方法計(jì)算簡單方便，但不能考慮非線性因素影響，更適用于彈性狀態(tài)下的構(gòu)件抗震驗(yàn)算；時(shí)程分析法計(jì)算精細(xì)，分析時(shí)應(yīng)選用產(chǎn)生最不利彎矩的地震波，更適用于已進(jìn)入塑性狀態(tài)下的構(gòu)件抗震驗(yàn)算，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)兩種計(jì)算結(jié)果要相互校核。

(3)反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果表明，恒載和地震組合的最不利組合為最小軸力值控制驗(yàn)算，應(yīng)當(dāng)用組合后軸力的最小值進(jìn)行首屈彎矩和等效屈服彎矩的計(jì)算。