城市匝道橋延性抗震設(shè)計(jì)分析

徐偉

摘 要：當(dāng)前，我國(guó)城市匝道橋建設(shè)數(shù)量逐漸增多。為了保證匝道橋的應(yīng)用安全，需要進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，盡可能提高其在地震情況下的安全表現(xiàn)，避免出現(xiàn)坍塌問(wèn)題?？拐鹪O(shè)計(jì)在橋梁建設(shè)過(guò)程中處于較為關(guān)鍵的步驟之一，如果沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，便有可能導(dǎo)致橋梁在極端條件下出現(xiàn)坍塌問(wèn)題，不利于保障人民群眾的生命安全。延性抗震設(shè)計(jì)屬于一種較為常見(jiàn)的處理方法，其能夠顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保護(hù)構(gòu)件不發(fā)生脆性損壞問(wèn)題。本文結(jié)合相關(guān)工程案例，深入分析延性抗震的設(shè)計(jì)策略，為以后的工程提供重要參考。

關(guān)鍵詞：城市匝道;延性抗震;設(shè)計(jì)策略

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

在抗震設(shè)計(jì)類(lèi)型中，延性抗震方案屬于較為常用的策略之一。在應(yīng)用這一技術(shù)策略進(jìn)行建設(shè)的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)利用符合標(biāo)準(zhǔn)的延性構(gòu)件進(jìn)行施工，并確保其能夠發(fā)揮優(yōu)秀的屈服性能。通過(guò)將其轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄凿@，可以削弱其剛度表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)增加橋梁通行壽命的目標(biāo)效果。通過(guò)這種方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠大幅提高橋梁在地震情況下的延性，從而降低震動(dòng)帶來(lái)的不良損害，有利于保障通行人員的安全。通過(guò)選擇橋墩頂部與底部作為潛在塑性鉸研究對(duì)象，能夠有效提高設(shè)計(jì)效果，達(dá)到良好的抗震目標(biāo)。這主要是由于能夠?qū)崿F(xiàn)這一效果的主要原因是由于匝道類(lèi)橋梁下方的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變幅度較低，使剛度區(qū)域均勻化。在這種情況下，橋面的寬度能夠以較窄的狀態(tài)進(jìn)行施工，可以提高整體延性標(biāo)準(zhǔn)。

1 案例工程概況

本文所選取的案例工程為某城市的匝道橋梁，其長(zhǎng)度為980.246 m。通過(guò)取其中一聯(lián)作為研究對(duì)象，開(kāi)展延性抗震的計(jì)算與分析。此聯(lián)基礎(chǔ)跨徑為57 m，上部區(qū)域結(jié)構(gòu)利用現(xiàn)澆混凝土作為連續(xù)箱梁，箱梁本身為單箱雙室結(jié)構(gòu)，寬度為19.2 m，梁高為1.5 m。此匝道橋的下部區(qū)域需要利用花瓶墩進(jìn)行規(guī)劃，并將其選擇為獨(dú)柱式。通過(guò)應(yīng)用面積為3×1.6 m的截面布置方式，可以使其直徑達(dá)到1.5 m，提高整體建設(shè)效果，橋體布置如圖1所示。

2 建立基礎(chǔ)模型

本橋需要達(dá)到的抗震級(jí)別應(yīng)當(dāng)保持在7級(jí)烈度左右，同時(shí)還需要使橋體在地震情況下出現(xiàn)的加速度不超過(guò)0.15 G。在建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)選擇二類(lèi)場(chǎng)地標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，并在地震動(dòng)反應(yīng)周期內(nèi)保持為0.45 s的反應(yīng)時(shí)間。橋梁需要符合的抗震標(biāo)準(zhǔn)為乙，除此之外的加速度反應(yīng)譜擬合數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)如表1所示進(jìn)行規(guī)劃。設(shè)計(jì)人員可以利用科學(xué)軟件平臺(tái)，對(duì)橋梁進(jìn)行模型規(guī)劃，并針對(duì)內(nèi)部單元實(shí)施模擬。通過(guò)這種方式，分析上下區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)有的設(shè)計(jì)[1]。在二期恒載設(shè)計(jì)的過(guò)程中，還應(yīng)當(dāng)采用質(zhì)量附加的方案進(jìn)行操作，確保其能夠與上半?yún)^(qū)域的主梁進(jìn)行結(jié)合。設(shè)置支座方向的過(guò)程中，還需要利用坐標(biāo)數(shù)據(jù)開(kāi)展研究。針對(duì)橋體與土質(zhì)的相互作用，應(yīng)當(dāng)通過(guò)土彈簧的模式進(jìn)行分析。正常條件下，城市橋梁僅模擬水平地震情況即可達(dá)到良好的建模效果。同時(shí)，計(jì)算模型內(nèi)部還應(yīng)當(dāng)輸入周邊連接結(jié)構(gòu)與邊界狀態(tài)產(chǎn)生的主要影響。處理邊界條件時(shí)，則需要將模型內(nèi)的前后聯(lián)結(jié)構(gòu)作為標(biāo)準(zhǔn)，使模擬分析能夠覆蓋相關(guān)內(nèi)容，如圖2所示。

3 計(jì)算流程與結(jié)果數(shù)據(jù)分析

本工程橋梁需要按照雙重水準(zhǔn)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，其分為E1與E2兩個(gè)主要類(lèi)型。在E1地震級(jí)別下，結(jié)構(gòu)需要保持在基礎(chǔ)彈性范圍內(nèi)，并達(dá)到無(wú)損傷的標(biāo)準(zhǔn)。在震后進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿屝?，即可重新恢?fù)應(yīng)用。在E2的標(biāo)準(zhǔn)條件框架下，橋梁遇地震情況應(yīng)當(dāng)盡可能降低損傷范圍，確保底部區(qū)域能夠產(chǎn)生塑性鉸，避免進(jìn)一步擴(kuò)大的問(wèn)題發(fā)生。通過(guò)采取緊急搶修措施，應(yīng)當(dāng)恢復(fù)部分通行效果。若采取完整修復(fù)措施，則需要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)結(jié)合P22型號(hào)的墩體開(kāi)展延性抗震設(shè)計(jì)分析，此類(lèi)墩體截面需要利用HRB400鋼筋進(jìn)行建設(shè)，主要鋼筋的直徑設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)符合25 mm，同時(shí)在橫向與縱向應(yīng)用科學(xué)化的鋼筋布置，確保其能夠達(dá)到良好的設(shè)計(jì)目標(biāo)，如30根與16根即可。箍筋需要保持16 mm直徑，并將相互之間保持的距離設(shè)置為100 mm，橫縱向設(shè)置10、6肢即可。

3.1 E1地震下產(chǎn)生的主要作用

在E1地震的情況下，橋體結(jié)構(gòu)需要保持基礎(chǔ)彈性狀態(tài)。同時(shí)，E1作用下的橋墩界面抗彎與抗剪性能需要大于設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，盡可能保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 E2地震下產(chǎn)生的主要作用

在分析截面曲率延性的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重視塑性鉸本身截面的彎矩情況，并重視相關(guān)曲率的分析內(nèi)容。研究人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行分析，研究截面在恒載條件下產(chǎn)生的X軸環(huán)繞單元損害狀態(tài)。同時(shí)包括彎矩與曲率曲線(xiàn)，如圖3所示。若E2條件框架下仍然具有彈性，未出現(xiàn)剛度削弱，便可以計(jì)算地震力度，并利用軟件分析墩底的界面強(qiáng)度級(jí)別。若彎矩低于等效屈服條件，則應(yīng)當(dāng)認(rèn)定其出現(xiàn)屈服，需要進(jìn)行下一步分析與計(jì)算[2]。

3.2.1 橋墩位移

通過(guò)將模型內(nèi)部的縱向橋等效塑性鉸長(zhǎng)度的相關(guān)截面特征按照抗彎的剛度削減情況開(kāi)展操作，實(shí)現(xiàn)有效更正后，便可以再次開(kāi)始進(jìn)行研究，達(dá)到良好的橋墩位移驗(yàn)算效果。在E2地震作用下，若縱向位移高于墩頂位移，便可以認(rèn)定其滿(mǎn)足基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.2 橋墩塑性餃抗剪

延性抗震設(shè)計(jì)過(guò)程中，能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)屬于較為關(guān)鍵的部分之一。針對(duì)這一部分開(kāi)展荷載分析的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)帶入實(shí)際條件中存在的狀態(tài)進(jìn)行研究。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)延性設(shè)計(jì)效果，還需要將各個(gè)區(qū)域的抗剪能力作為基礎(chǔ)保護(hù)構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)采取內(nèi)部力學(xué)設(shè)計(jì)方式，能夠有效降低出現(xiàn)脆性損害的概率，達(dá)到良好的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這一過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合抗彎超強(qiáng)系數(shù)考慮，通過(guò)明確截面區(qū)域應(yīng)當(dāng)利用的配筋條件，可以明確強(qiáng)度級(jí)別，并結(jié)合恒載情況，分析需要達(dá)到的受彎標(biāo)準(zhǔn)。如果墩體的塑性鉸縱向與橫向能夠達(dá)到良好的抗剪效果，并低于本體的抗剪強(qiáng)度，便可以認(rèn)為其滿(mǎn)足抗震的基礎(chǔ)需求。

3.2.3 支座

本次橋梁工程采用對(duì)應(yīng)的制作進(jìn)行基礎(chǔ)規(guī)劃，類(lèi)型為盆式。這一結(jié)構(gòu)能夠在E2條件框架下，針對(duì)固定水平力進(jìn)行超強(qiáng)彎矩的深入研究。同時(shí)，盆式類(lèi)型可以按照豎向水平承載20%的情況進(jìn)行計(jì)算，而制動(dòng)墩區(qū)域的豎向承載能力約為5 000 kN。結(jié)合分析計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)，通過(guò)保持設(shè)計(jì)制作的限位條件，能夠發(fā)揮良好的作用，提高抗震效果。

3.2.4 樁基

與上一部分類(lèi)似，E2條件框架下，應(yīng)當(dāng)按照截面內(nèi)部的塑性鉸超強(qiáng)彎矩進(jìn)行深入分析，保證縱橫橋向的設(shè)計(jì)彎矩能夠低于截面的抗彎需求，達(dá)到抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

根據(jù)以上內(nèi)容能夠明確，在條件框架為E2的情況下，如果墩體底部發(fā)生了屈曲的問(wèn)題，其本體抗剪、支座與基礎(chǔ)模塊能夠達(dá)到保護(hù)作用。這一過(guò)程的內(nèi)力設(shè)計(jì)數(shù)值需要基于橋墩塑性鉸截面的超強(qiáng)彎矩進(jìn)行計(jì)算，因此在針對(duì)橋墩底部進(jìn)行靜力設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不應(yīng)預(yù)留過(guò)多的富余，防止增加超強(qiáng)彎矩的級(jí)別。同時(shí)，針對(duì)橋梁的塑性鉸區(qū)域設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)確保其能夠加裝充足的配筋，使其抗剪需求能夠得到有效滿(mǎn)足，降低出現(xiàn)脆性損害的概率。在驗(yàn)算支座產(chǎn)生的水平方向力度時(shí)，應(yīng)當(dāng)在出現(xiàn)問(wèn)題的條件下，規(guī)劃限位設(shè)計(jì)模塊，使其能夠?qū)崿F(xiàn)抵抗水平方向力的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)良好的抗震設(shè)計(jì)效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，城市匝道橋的抗震設(shè)計(jì)可以采用延性抗震的方案進(jìn)行制定。通過(guò)這種方式，能夠顯著降低橋梁遭遇強(qiáng)烈地震時(shí)出現(xiàn)坍塌的概率，確保其在震后可以通過(guò)緊急搶修重新投入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)良好的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱儉鋒.城市高架橋抗震體系適用性探討[J].上海建設(shè)科技，2019，232（02）：23-27.

[2]柏槐.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)方法研究進(jìn)展[J].福建質(zhì)量管理，2019（07）：99.