裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁橋抗震性設(shè)計(jì)研究

胡 曉

（中鐵四院集團(tuán)南寧勘察設(shè)計(jì)院有限公司，南寧 530003）

0 引言

近年來(lái), 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁橋因具有整體性好、施工簡(jiǎn)便及成本低等優(yōu)點(diǎn),逐漸在我國(guó)公路橋梁中得到廣泛應(yīng)用[1-2]。 但是,在地震作用下該類橋梁下部結(jié)構(gòu)極易遭到破壞, 嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起梁體損壞甚至倒塌災(zāi)害,因此合理的橋型結(jié)構(gòu)與防震設(shè)計(jì)研究已成為當(dāng)下學(xué)者的重要課題[3-4]。

目前, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于不同橋型結(jié)構(gòu)的抗震性能展開(kāi)了大量研究,如陳愛(ài)軍等[5]通過(guò)分析雙肢薄壁墩在地震作用下的破壞形態(tài)與力學(xué)性能, 得出主筋率較高的雙肢薄壁墩滯回曲線較為飽滿,耗能性能良好,適當(dāng)提高軸壓比可顯著提高該橋墩的延性性能。徐略勤等[6]基于推倒分析和增量動(dòng)力分析研究了材料性能劣化對(duì)橋梁時(shí)變抗震性能的影響規(guī)律, 證明了材料劣化對(duì)高烈度地區(qū)和采用延性設(shè)計(jì)方法的橋梁抗震而言是不可忽視的影響因素。靳曉燕等[7]通過(guò)分析不同墩高下橋梁結(jié)構(gòu)振型特征和彈性時(shí)程,發(fā)現(xiàn)橋墩較高時(shí)易形成平面外彎曲變形,橋墩較低時(shí)更多的是表現(xiàn)出橫彎和豎彎墩高的整體性改變。 楊艷等[8]從結(jié)構(gòu)自振周期、墩底內(nèi)力、墩頂位移、梁端位移以及支座剪切位移等方面分析高阻尼隔震橡膠支座對(duì)橋梁抗震性能的影響, 并對(duì)其在公路常規(guī)橋梁上的適用性提出建議。以上學(xué)者主要是從橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料性能以及減震支座選擇等方面進(jìn)行的研究, 而關(guān)于不同類型支座的抗震性和適用性的研究還有待進(jìn)一步完善。 基于此,本文通過(guò)軟件建立不同類型支座的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁橋等效模型, 對(duì)比分析了橋梁的變形及內(nèi)力變化規(guī)律,以期為同類型橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概括

某裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋全長(zhǎng)625.7m, 主橋采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)T 梁結(jié)構(gòu),跨徑布置為4×32.5,橋梁上部結(jié)構(gòu)主梁橫向由5 片T 梁構(gòu)成,梁高為2.6m,橋面縱向?yàn)檫B續(xù)結(jié)構(gòu),濕接縫寬度為0.5m,半幅橋面寬12.5m,橋面鋪裝采用10cm 厚瀝青混凝土+橡膠瀝青碎石防水層+10cm 混凝土。 下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式圓形墩,直徑為1.6m,雙柱橫向間距為7.2m,樁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁,每個(gè)單柱下方設(shè)置2 根直徑為1.5m 的鉆孔樁,間距4m。 該地區(qū)斷裂、褶皺構(gòu)造發(fā)育明顯,地震動(dòng)反應(yīng)譜周期為0.4s,地震動(dòng)加速度為0.15g,屬于強(qiáng)震區(qū)。 因此橋梁上、下部結(jié)構(gòu)連接采用高阻尼矩形隔震橡膠支座,支座尺寸為320mm×420mm×127mm,其主要力學(xué)參數(shù)如表1 所示。橋梁立面布置如圖1 所示。

表1 隔震橡膠支座力學(xué)參數(shù)

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)立面圖

2 建立模型

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)規(guī)范要求,運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL 等效模擬裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁橋結(jié)構(gòu), 計(jì)算模型中T 梁、橋墩、樁基礎(chǔ)以及承臺(tái)均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,模型共包含1632 個(gè)單元和2046 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 橋梁有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型示意圖

計(jì)算過(guò)程中采用點(diǎn)彈簧方式對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行約束,并考慮樁土間相互作用的影響。 在抗震計(jì)算中非巖石地基的抗力系數(shù)與基礎(chǔ)埋深成正比關(guān)系, 樁基礎(chǔ)埋深的水平抗力系數(shù)計(jì)算方法為：Cz=m×z(z 代表埋深位置),樁端地基的豎向抗力系數(shù)計(jì)算方法為：C0=m0×h0, 其中樁基點(diǎn)彈簧剛度的計(jì)算方法與靜力計(jì)算相同。 根據(jù)支座特性,采用不同約束類型模擬梁板與蓋梁接觸面, 其中活動(dòng)支座采用釋放方向的約束模擬,采用彈性連接模擬板式支座,采用剛性連接模擬固定支座, 支座的剪切剛度采用彈性連接約束剛度模擬,采用滯回曲線模擬減震支座剛度。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)該橋結(jié)構(gòu)自重和活載設(shè)計(jì)要求,分別針對(duì)橡膠、盆式以及減震3 種不同類型支座的連續(xù)T 梁橋整體抗震性能進(jìn)行對(duì)比分析,以確定較優(yōu)的支座布置形式。 不同類型支座布置方案如表2 所示。

表2 不同類型支座布置方案

3.1 墩頂位移分析

由于連續(xù)T 梁橋的縱橋向剛度要遠(yuǎn)小于橫橋向剛度, 且地震作用下橋梁發(fā)生縱向破壞的情況相對(duì)常見(jiàn),因此在分析該橋抗震性能時(shí)主要針對(duì)橋梁各墩頂?shù)目v向位移變化情況進(jìn)行比較, 通過(guò)計(jì)算得到不同支座布置方案的墩頂縱向位移如表3 所示。

表3 不同方案墩頂位移計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表3 可知, 采用板式橡膠支座和減震支座的橋梁2#～4# 墩頂最大水平位移值基本一致, 其中采用減震支座的橋墩最大位移相對(duì)較大, 原因是減震支座剛度較大,相對(duì)板式橡膠支座對(duì)于橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的約束作用更為明顯。相對(duì)于方案一和方案二,采用盆式活動(dòng)/固定支座的橋梁墩頂最大水平位移明顯較大, 其中采用方案三的橋梁,雖然2#、4# 墩頂?shù)淖畲笏轿灰朴兴鶞p小,但3#墩的最大位移值達(dá)到了157.6mm,縱向變形過(guò)大,極易對(duì)橋梁造成嚴(yán)重破壞, 而方案四的橋梁各墩墩頂?shù)淖畲笏轿灰凭h(yuǎn)大于方案一和二。 由此可知,采用板式橡膠支座或減震支座可以防止橋梁出現(xiàn)較大的縱向破壞情況,從而可以有效提升橋梁整體抗震能力。

3.2 內(nèi)力分析

運(yùn)用有限元軟件分別計(jì)算不同支座布置方案的橋梁各墩縱向彎矩值, 并針對(duì)主墩最大縱向彎矩值進(jìn)行比較,以分析不同支座布置方案對(duì)橋梁內(nèi)力的影響。 不同方案下的各墩最大彎矩值如表4 所示。

表4 不同方案橋墩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表4 可知, 采用板式橡膠支座和減震支座的橋梁各墩最大縱向彎矩值大致相似, 說(shuō)明兩種支座布置方案下的橋梁各主墩內(nèi)力分布均勻, 在受到地震作用時(shí)各主墩的內(nèi)力同樣會(huì)呈均勻分布, 有利于橋梁的整體抗震能力。 采用方案四的橋梁各墩最大縱向彎矩值差距較小,但整體受力明顯要大于方案一和方案二, 而采用方案三時(shí), 橋梁2 號(hào)墩和4 號(hào)墩的最大縱向彎矩值要小于其他方案,但3 號(hào)墩的最大縱向彎矩值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他方案。由此可知, 采用盆式支座不僅會(huì)造成橋梁各墩的縱向彎矩過(guò)大,更會(huì)導(dǎo)致各墩之間受力分布不均,而采用板式橡膠支座或減震支座可以使橋墩縱向受力及內(nèi)力分布更為合理,更有利于增強(qiáng)橋梁的整體抗震性。

3.3 支座位移分析

運(yùn)用有限元軟件分別計(jì)算不同支座布置方案的橋梁各墩支座位移, 并針對(duì)各支座的最大位移值進(jìn)行比較,以分析不同支座布置方案對(duì)支座變形的影響。 不同方案下的各支座最大位移值如表5 所示。

表5 不同方案支座位移計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表5 可知, 不同支座布置方案對(duì)各墩的支座位移值影響存在較大差異。采用板式橡膠支座、減震支座以及兩個(gè)盆式活動(dòng)支座的橋梁各墩支座位移基本一致,其中采用板式橡膠支座和兩個(gè)盆式活動(dòng)支座的各墩支座位移值相對(duì)較小,最大值分別為9.26mm 和2.54mm,而采用減震支座的各墩支座位移值相對(duì)較大, 最大值達(dá)到36.9mm。 方案三為1 個(gè)盆式固定支座+2 個(gè)活動(dòng)支座,各墩支座位移值差異較大, 其中3 號(hào)墩支座位移值較小,僅3.2mm, 而2 號(hào)墩和4 號(hào)墩的支座位移值較大, 達(dá)到了121.5mm 和124.2mm。 由此可知,橋梁采用板式橡膠支座或1 個(gè)盆式活動(dòng)支座的方案可以有效控制各墩墩頂?shù)淖冃瘟? 而采用減震支座或2 個(gè)盆式活動(dòng)支座方案會(huì)導(dǎo)致墩頂變形較大及各墩之間出現(xiàn)較大變形差異。

4 結(jié)論

本文通過(guò)運(yùn)用有限元軟件建立裝配式連續(xù)T 梁橋等效分析模型, 針對(duì)不同類型支座布置方案橋梁的墩頂縱向變形、支座變形及橋墩內(nèi)力進(jìn)行對(duì)比分析,得到以下主要結(jié)論：

(1) 采用盆式支座的橋梁墩頂最大縱向位移達(dá)到了157.6mm, 墩頂縱向變形過(guò)大不利于橋梁抗震能力,而采用板式橡膠支座和減震支座橋梁縱向位移均在52～54mm 左右,相對(duì)較優(yōu)。

(2)采用盆式支座的橋墩的最大縱向彎矩達(dá)到16037.7kN·m,而采用板式橡膠支座或減震支座的橋墩彎矩值在4811～5238kN·m 之間, 橋墩縱向受力及內(nèi)力分布更為合理。

(3)采用板式橡膠支座或1 個(gè)盆式活動(dòng)支座的橋梁支座變形較小, 而采用減震支座或2 個(gè)盆式活動(dòng)支座方案會(huì)導(dǎo)致墩頂變形較大,且各墩之間會(huì)出現(xiàn)較大變形差異。