裝配式公路橋梁抗震分析與驗算

李子特 王根會

摘? 要：以高速公路中典型的裝配式混凝土橋梁下部結(jié)構(gòu)為分析及驗算對象，選取代表性的15m墩高及25m墩高構(gòu)造及配筋設(shè)計和支座設(shè)置情況，采用反應(yīng)譜法進行了抗震分析及驗算。其中，利用彈性屈曲分析方法求解了橋墩端部不同約束條件下順橋向和橫橋向的計算長度，利用靜力彈塑性poshover分析方法求解了框架橋墩橫橋向的極限位移。計算結(jié)果表明：在E1地震作用下，橋墩處于彈性階段，承載力有較大富余;在E2地震作用下，15m、25m橋墩柱間系梁及墩底截面進入彈塑性變形階段，形成了塑性鉸;對塑性鉸區(qū)域內(nèi)箍筋進行加密設(shè)置，其抗剪承載力及墩頂位移滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。為同類橋梁抗震分析及驗算提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：計算長度;抗震;反應(yīng)譜;彈塑性;塑性鉸

中圖分類號：U4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A

0? 引言

裝配式橋梁由于可采用標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)制、縮短施工周期、便于控制施工質(zhì)量等多種優(yōu)點，是公路工程中應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)形式[1]。在地震作用下，一聯(lián)內(nèi)橋墩根據(jù)自身剛度不同，能夠形成與之協(xié)同的抗震體系，這樣的受力是最有利和經(jīng)濟的。在高震區(qū)，橋墩構(gòu)造及配筋設(shè)計、支座選型一般均由地震作用控制[2]。對應(yīng)不同的墩高，需要通過支座剛度結(jié)組合后調(diào)整墩相對剛度。在現(xiàn)行規(guī)范和產(chǎn)品體系下，對于雙柱式輕型橋墩，一般形成了10m以下墩高采用高阻尼支座、10～25m墩高采用水平力分散性支座、25～35m墩高采用盆式支座墩梁固結(jié)的形式，其實質(zhì)是調(diào)整了橋墩端部的約束剛度，從而調(diào)整了橋墩作為壓彎構(gòu)件的計算長度。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范JTG/T 2231-01-2020》，規(guī)則橋梁采用反應(yīng)譜法進行抗震驗算。以5×30m一聯(lián)、墩高25m以下柱式橋墩采用水平力分散性橡膠支座、墩高25m以上柱式橋墩采用固定盆式橡膠支座的典型橋聯(lián)，對E1地震作用下橋墩彈性強度及E2地震作用下橋墩彈塑性強度、位移能力、抗剪強度進行驗算。

1? 工程概況

某高速公路項目，上部結(jié)構(gòu)采用部頒30m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁通用圖，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、柱式臺配鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋?qū)?2.5m。取典型5×30m一聯(lián)進行計算，1、4號橋墩高度取15m （不含蓋梁），1.6m柱徑配1.8m樁基，墩柱間距為6.8m，設(shè)置1道地系梁、1道柱間系梁，采用LNR-d420×128水平力分散型橡膠支座;2、3號橋墩高度取25m （不含蓋梁），1.8m柱徑配2.0m樁基，墩柱間距為6.8m，設(shè)置1道地系梁、1道柱間系梁，采用JPZ（Ⅱ）1.5GD盆式橡膠支座;橋臺樁間距為6.8m，樁徑為1.6m，采用GYZF4300x65型四氟滑板式橡膠支座。地震動峰值加速度為0.15g 相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度，B類橋梁提高一級按照Ⅷ級設(shè)防，分區(qū)特征周期0.45s。

橋梁上下部結(jié)構(gòu)之間采用支座連接，其彈性連接剛度如下表：

樁基主筋是橋墩主筋根數(shù)的1.5倍，塑性鉸區(qū)域箍筋雙繞，為非塑性鉸區(qū)域的2倍，橋墩及樁基的截面配筋及體積配箍情況如下表所示。

2? 計算模型建立

采用MIDAS/CIVIL 2020建立空間有限元計算模型，箱梁、蓋梁、墩柱、樁基等均采用空間梁單元模擬，樁與土相互作用采用地基土彈簧進行模擬[3]，彈簧剛度計算按照《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中地基土的比例系數(shù)m 進行簡化。本橋上覆層為黃土，下覆層為泥巖取值，6m以上土彈簧剛度取為8000kN/m4，6m以下取為25000kn/m4，地震作用采用反應(yīng)譜加載。

混凝土梁橋反應(yīng)譜分析取固定阻尼比為0.05，荷載組合采用偶然組合。

3? 墩柱計算長度

地震作用下，橋墩受力類型為壓彎構(gòu)件，計算承載力時需要根據(jù)橋墩端部的實際約束剛度求解其計算長度[4]。建立有限元模型，通過對15m橋墩、25m橋墩蓋梁中心施加豎向單位力，進行屈曲分析，求得順橋向和橫橋向的穩(wěn)定系數(shù)，再通過歐拉臨界公式，求解計算長度系數(shù)。

從上表可以看出，橋墩順橋向力學(xué)計算模型類似于墩底固結(jié)、墩頂自由的壓彎構(gòu)件;橋墩橫橋向由于墩柱的框架效應(yīng)，其力學(xué)計算模型類似于墩底固結(jié)、墩頂彈性連接的壓彎構(gòu)件。

4.? E1地震作用驗算

無論從地震病害調(diào)查分析，還是地震反應(yīng)計算，雙柱式橋墩順橋向潛在塑性鉸在墩底處，橫橋向潛在塑性鉸位置在墩頂、墩底及柱系梁截面處[5]，對其位置處進行控制性驗算。

從上表計算結(jié)果可以看出，在E1地震作用下，墩柱均處于彈性受力階段，且承載力有較大富余。

5 E2地震作用計算

在E2地震作用下，首先進行承載能力計算，判斷橋墩潛在塑性鉸位置處截面是否屈服。如果屈服，即潛在塑性鉸區(qū)域截面處已進入彈塑性變形階段，此時需要進一步驗算塑性鉸的位移延性能力及抗剪承載力作為能力保護構(gòu)件驗算[6]。

5.1橋墩彈性強度驗算

取墩頂、墩底及柱間系梁截面潛在塑性鉸位置進行控制性驗算。

從上表可以看出，在E2地震工況下，15m、25m橋墩柱間系梁及墩底截面偏心受壓類型強度超過彈性極限，該部位已進入塑性變形階段，即形成了塑性彎曲鉸。

5.2橋墩塑性鉸抗剪強度驗算

E2彈塑性地震作用下，墩柱塑性鉸區(qū)域抗剪承載力作為能力保護設(shè)計[7]，依據(jù)《抗規(guī)》相關(guān)內(nèi)容進行計算。

從上表計算結(jié)果可以看出，塑性鉸區(qū)抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

5.3橋墩墩頂位移驗算

在E2地震作用下，規(guī)則橋梁橋墩墩頂位移應(yīng)小于其允許值。其中，橋墩順橋向允許位移按《抗規(guī)》相關(guān)內(nèi)容進行計算。雙柱式框橋墩橫橋向允許位移利用靜力彈塑性分析方法進行求解[7]，即采用MIDAS/CIVIL中pushuover功能進行求解。

從上表計算結(jié)果可以看出，在E2地震作用下墩頂順橋向和橫橋向位移均小于橋墩容許位移，滿足規(guī)范要求。

6? 結(jié)論

（1）橋墩順橋向力學(xué)計算模型類似于墩底固結(jié)、墩頂自由的壓彎構(gòu)件;橋墩橫橋向由于墩柱的框架效應(yīng)，其力學(xué)計算模型類似于墩底固結(jié)、墩頂彈性連接的壓彎構(gòu)件。

（2）在E1地震作用下橋墩處于彈性階段。

（3）在E2地震作用下，15m、25m橋墩柱間系梁及墩底截面進入彈塑性變形階段，形成了塑性鉸。

（4）塑性鉸區(qū)的抗剪承載力及塑性位移能力滿足規(guī)范要求。橋墩構(gòu)造及配筋設(shè)計、支座選型方案是合理可行的。

參考文獻

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[3]王立軍.軸心受壓桿件的彎曲屈曲[J].建筑結(jié)構(gòu)，2017，10，126-135

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[6]郭凱斌，溫泉.提高公路橋梁抗震能力的措施[J].交通世界，2019，11，126-127

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