高墩剛構(gòu)橋梁抗震設(shè)計(jì)研究

■凌 云

（吳江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)建設(shè)局，蘇州 215200）

0 前言

隨著我國(guó)山區(qū)交通和城市高架橋的發(fā)展，高墩橋梁得到了廣泛的應(yīng)用，特別是山區(qū)公路，橋梁需要跨越河谷和深溝，使得其橋墩高度通常達(dá)數(shù)十米，但目前對(duì)于橋梁高墩抗震的研究相對(duì)滯后，不能滿足實(shí)際工程的需要[1]。目前高墩橋梁普遍采用延性設(shè)計(jì)，延性設(shè)計(jì)是通過選定結(jié)構(gòu)的特定部位屈服形成塑性鉸以降低剛度延長(zhǎng)周期，并利用塑性鉸的滯回特性耗散地震能量，但這些是以結(jié)構(gòu)的損壞為代價(jià)，災(zāi)后對(duì)橋梁的修復(fù)相對(duì)困難[2]。因?yàn)楦叨談偠容^柔，橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期比較長(zhǎng)，不宜采用減隔震設(shè)計(jì)[3]。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)高墩橋梁的減隔震適應(yīng)性做了大量的研究[4～6]，但這些方法或措施距離實(shí)施到實(shí)際工程中還需要長(zhǎng)時(shí)間的探討。

為此，本文提出一種新型的減震方法，該方法不需要對(duì)原設(shè)計(jì)方案做大量的修改，當(dāng)支座的剪力達(dá)到一定程度時(shí)，通過放寬對(duì)支座位移的約束限度，并提供允許支座有限滑動(dòng)的限位裝置，達(dá)到地震力與位移的平衡。并以某高墩剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?，采用有限元軟件SAP2000對(duì)該橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 工程概況

本文以某座跨徑布置為2×70m 的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯勘尘?，其橋型布置如圖1 所示。

該橋主梁為預(yù)應(yīng)力變截面箱梁，采用單箱單室斷面，橋梁寬度為12.25m；該橋的橋墩共有3 種橋墩型式：一種主墩和兩種交界墩。主墩結(jié)構(gòu)采用墩+承臺(tái)+樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)形式，主墩墩身為7.05×7.0m 的矩形斷面，墩高59.8m，橋墩分層中空，承臺(tái)尺寸為12.8×9.1m，樁基礎(chǔ)為端承樁，直徑為2.2m，共6 根；交界墩結(jié)構(gòu)采用墩+樁基礎(chǔ)的雙柱墩形式，墩身均為2.5×2.5m 的倒圓角矩形等截面，左交界墩P1 設(shè)有地系梁，墩高為13m，右交界墩P3 設(shè)有橫系梁和地系梁，墩高為25.8m，樁基礎(chǔ)均為端承樁。該橋支座布置形式為每個(gè)交界墩上設(shè)置兩個(gè)盆式橡膠支座，按行進(jìn)方向的左側(cè)支座均為縱橋向可以滑動(dòng)的單向支座，右側(cè)支座均為雙向可以滑動(dòng)的活動(dòng)支座。

圖1 橋型布置圖

2 有限元分析模型

為了更準(zhǔn)確的分析該結(jié)構(gòu)的抗震性能，動(dòng)力分析模型采用三維空間有限元分析模型，如圖2 所示?？紤]到與相鄰聯(lián)橋梁動(dòng)力特性的相互影響，選定左引橋（13m的預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆梁橋）和右引橋（3×13m 的預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆梁橋）作為邊界聯(lián)進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析研究。按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）[7]規(guī)定，該橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁，本文E1 地震作用采用反應(yīng)譜分析，E2 地震作用采用非線性時(shí)程分析。

該模型主梁、橫梁和橋墩采用梁?jiǎn)卧M，支座均采用三維支座單元進(jìn)行模擬，反應(yīng)譜分析時(shí)假定固定支座為鉸接約束，滑動(dòng)支座滑動(dòng)方向?yàn)樽杂?，非線性時(shí)程分析時(shí)滑動(dòng)支座滑動(dòng)方向采用非線性單元模擬，考慮支座的摩擦耗能作用。對(duì)于樁基礎(chǔ)，利用“六彈簧”模擬，根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的工程地質(zhì)報(bào)告，采用“m”法計(jì)算各樁基礎(chǔ)的土彈簧參數(shù)。

圖2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析計(jì)算模型

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

根據(jù)建立的該橋動(dòng)力計(jì)算模型，對(duì)該橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，表1 列出了該模型前10 階模態(tài)的相關(guān)信息。

表1 結(jié)構(gòu)主要?jiǎng)恿μ匦?/p>

4 地震反應(yīng)分析

根據(jù)建立的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析模型，按照設(shè)計(jì)方案的邊界約束條件，采用安評(píng)報(bào)告提供的反應(yīng)譜參數(shù)進(jìn)行E1 地震反應(yīng)譜分析，計(jì)算分析在雙向地震波作用下選定聯(lián)橋梁的地震響應(yīng)，振型組合采用CQC 方法。

根據(jù)該模型在E1 地震作用下的反應(yīng)分析結(jié)果，驗(yàn)算該橋的地震安全性能，結(jié)構(gòu)的抗震能力由UcFyer 軟件進(jìn)行計(jì)算分析，取構(gòu)件最不利截面的等效屈服彎矩作為該橋構(gòu)件的抗彎能力。

經(jīng)驗(yàn)算該橋的橋墩和樁基均可以滿足地震需求，但是支座在橫橋向的剪力超出其抗剪能力，限于篇幅的限制，表2 僅給出了支座剪力驗(yàn)算結(jié)果，因?yàn)橹ё诳v橋向可自由滑動(dòng)，因此均不必驗(yàn)算其抗剪性能。

表2 支座抗剪性能驗(yàn)算 （E1 橫橋向輸入）

鑒于支座的抗剪能力不能滿足E1 地震響應(yīng)的需求，本文提出將支座固定方向的受力在達(dá)到一定程度時(shí)，將該方向的約束放開，并設(shè)置具有合理滑動(dòng)距離的限位措施，以此避免落梁災(zāi)害的發(fā)生。合理的滑動(dòng)距離可以通過無約束時(shí)的支座在E2 地震作用下的位移來初步計(jì)算，并根據(jù)構(gòu)件的驗(yàn)算結(jié)果來適當(dāng)調(diào)整。

本文采用該橋的安評(píng)報(bào)告提供的反應(yīng)譜參數(shù)生成七條E2 水準(zhǔn)人工地震波進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析，取7條地震波反應(yīng)結(jié)果的平均值作為該水準(zhǔn)的地震反應(yīng)結(jié)果[7]。根據(jù)該橋在E2 地震作用下的支座位移，如表3 所示，并經(jīng)過多次驗(yàn)算，確定P1 墩的兩個(gè)支座滑動(dòng)距離均為18cm，P3 墩的兩個(gè)支座的滑動(dòng)空間均為28cm。

表3 支座變形驗(yàn)算 （E2 地震作用）

按照上述抗震措施，對(duì)結(jié)構(gòu)在E2 非線性時(shí)程作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行了驗(yàn)算，具體結(jié)果見表4～7。

表4 樁基礎(chǔ)驗(yàn)算 （E2 縱橋向輸入）

表5 樁基礎(chǔ)驗(yàn)算 （E2 橫橋向輸入）

表6 橋墩墩底承載力驗(yàn)算 （E2 縱橋向輸入）

表7 橋墩墩底承載力驗(yàn)算 （E2 橫橋向輸入）

由上述表格可以看出，通過對(duì)支座約束方向的解放，支座的抗剪能力不足可以得到解決，結(jié)構(gòu)在地震作用下的強(qiáng)度和變形能力也均可滿足其地震響應(yīng)需求，可以在不進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)的情況下達(dá)到良好的抗震效果。

5 結(jié)論

通過對(duì)某高墩剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及變形驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)該橋支座在固定方向的抗剪能力不能滿足要求，本文提出把該約束釋放，并添加適當(dāng)限位措施的抗震方案，經(jīng)驗(yàn)算，該橋在不需要大量更改設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上即可達(dá)到抗震需求，支座在災(zāi)后可以方便地的更換，即災(zāi)后修復(fù)工作非常方便。當(dāng)然，該方法尚需更多橋梁的驗(yàn)證，不過該方法對(duì)高墩橋梁的抗震措施提供了一條可行的路徑。

[1]宗周紅，夏堅(jiān)，徐綽然.橋梁高墩抗震研究現(xiàn)狀及展望[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，43（02）：445-452.

[2]葉愛軍，管仲國(guó).橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).我國(guó)橋梁隔振技術(shù)的應(yīng)用[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，1999，12（02）：173-181.

[4]徐秀麗，于蘭珍，王曙光，等.高墩連續(xù)梁橋減震設(shè)計(jì)研究[J].工程抗震與加固改造，2006，27(5)：63-67.

[5]周志浩，陳實(shí).梁橋高墩的減震設(shè)計(jì)方法[J].云南交通科技，2001，17(4)：32-36.

[6]李曉琴.采用中層減隔震體系高墩橋梁縱橋向抗震性能分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2014，02：79-83.

[7]JTG/T B02-01—2008,中華人民共和國(guó)行業(yè)推薦性標(biāo)準(zhǔn)：公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].