高烈度區(qū)高墩橋梁抗震措施研究

高烈度區(qū)高墩橋梁抗震措施研究

1橋梁抗震設(shè)計隨著我國高架結(jié)構(gòu)發(fā)展的發(fā)展，高墩橋在高烈度地震區(qū)的數(shù)量日益增多。高墩橋梁受震害后修復困難,影響地震后生命線的暢通,將給地震區(qū)帶來嚴重的次生災(zāi)害。目前,國內(nèi)外尚缺乏高墩橋梁經(jīng)受高烈度地震的經(jīng)驗,而現(xiàn)有的大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計規(guī)范只適用于常規(guī)橋梁抗震分析,我國《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/TB02-01-2008)規(guī)定墩高超過30m的橋梁應(yīng)作專項研究。以處于高烈度區(qū)(設(shè)防烈度8.5度)的一座大橋為例,分別進行了反應(yīng)譜分析與非線性時程分析,研究了高墩橋梁在高強度地震作用下的地震反應(yīng)特點,提出2種抗震措施,并采用非線性時程分析法驗證其抗震效果。2橋型布置和工程施工某高地震烈度區(qū)大橋上部結(jié)構(gòu)為40m跨分離式雙幅先簡支后連續(xù)T梁,單幅橋面寬12.25m。大橋4跨一聯(lián),共設(shè)置4道伸縮縫,分別位于P1、P5、P9和P13號墩對應(yīng)的T梁位置,橋型布置見圖1。大橋P1、P4、P5和P13號墩采用C40混凝土雙方柱墩,P2、P3和P6~P12號墩由于地面橫坡較大,均采用C50混凝土獨柱式空心薄壁墩,其中P2、P3號橋墩高達70m。橋址處地震設(shè)防烈度為8.5度,50年10%超越概率峰值加速度為0.304g。地震輸入采用“順橋向+豎向”和“橫向+豎向”2種組合方式,豎向地震峰值加速度取相應(yīng)水平向峰值加速度的2/3。反應(yīng)譜分析的場地加速度反應(yīng)譜見圖2;時程分析時,分別采用3條場地設(shè)計地面水平地震動加速度時程曲線,分析結(jié)果取3組反應(yīng)譜的平均值,其典型加速度時程曲線見圖3。3結(jié)構(gòu)動力特性分析和認識橋梁的動力特性是進行抗震性能研究的基礎(chǔ)。建立全橋線彈性計算模型(圖4)進行動力特性分析。主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬,通過在樁身梁單元上施加側(cè)向土彈簧來模擬橋墩的樁-土相互作用,彈簧剛度采用m法計算;采用專門的連接單元模擬圓板式橡膠支座的彈性連接作用,墩頂處相鄰跨橋面先簡支后連續(xù)構(gòu)造采用專門的連接單元進行模擬。結(jié)構(gòu)動力特性主要表現(xiàn)在前幾階自振頻率和振型,表1列出了大橋前10階振型及振動頻率。表1數(shù)據(jù)表明,振動形式主要以橋墩的順橋向、橫向振動為主,主要原因在于該橋橋墩普遍較高,結(jié)構(gòu)相對較柔,橋墩順橋向、橫向剛度較小。4解釋2:早期順橋、梁底、梁底彈性剪切力未去除蓋梁頂或在梁底設(shè)置上發(fā)生滑移對該橋線彈性計算模型進行反應(yīng)譜分析,圖6為結(jié)構(gòu)在2個輸入方向組合下單個支座剪切力最大值。由計算結(jié)果可知,由于支座頂面、底面與梁底和蓋梁頂均未設(shè)置連接措施,在地震動作用下,大部分支座的順橋向彈性剪切力和部分支座的橫向彈性剪切力均超出了對應(yīng)的臨界滑動摩擦力,其頂面與梁底面將發(fā)生相對滑移,且支座剪切變形較大(其中P1號墩順橋向變形達0.20m,橫向達0.19m),存在落梁隱患,應(yīng)采取必要抗震措施。5抗癲癇措施為了減小地震效應(yīng),加強結(jié)構(gòu)的整體性,提出了2種抗震措施。5.1順橋向連梁裝置設(shè)計為防止伸縮縫兩側(cè)相鄰梁端相對墩頂蓋梁順橋向位移過大而造成落梁,在各伸縮縫處相鄰兩梁端之間擬設(shè)置由精軋螺紋鋼筋(直徑32mm)、配套螺帽和彈性橡膠墊塊組成的順橋向連梁裝置(圖6),其設(shè)計參數(shù)及布置情況見表2。5.2橫向彈塑性擋塊設(shè)計為防止橋梁上部結(jié)構(gòu)相對橋墩蓋梁發(fā)生過大的橫向位移而引起落梁事故,在各橋墩蓋梁頂面橫向兩側(cè)設(shè)置了由鋼型材制作的橫向彈塑性擋塊(圖7),其設(shè)計參數(shù)及布置情況見表3。6橋梁非線性動力分析反應(yīng)譜分析只能反應(yīng)線彈性結(jié)構(gòu)的線彈性效應(yīng),一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非線性效應(yīng),如支座滑移、墩柱開裂、碰撞等現(xiàn)象,反應(yīng)譜分析的結(jié)果就不準確,此時應(yīng)采用非線性動力分析方法以全面反應(yīng)結(jié)構(gòu)的非線性特性。該橋非線性時程分析主要考慮了順橋向連梁裝置、橫向彈塑性擋塊、支座滑動和伸縮縫等非線性因素對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。為了考察順橋向連梁裝置和橫向彈塑性擋塊的抗震效果,考慮2種工況進行非線性時程分析。工況1,橋梁未安裝順橋向連梁裝置、橫向安裝混凝土擋塊;工況2,橋梁安裝順橋向連梁裝置和橫向彈塑性擋塊。6.1計算模型6.1.1彈性約束剛度k順橋向連梁裝置使用拉伸間隙單元進行模擬,其力~位移關(guān)系見圖8。相鄰梁端順橋向分離運動的間隙值取該裝置所處伸縮縫寬度的0.5倍;順橋向彈性約束剛度K計算公式為:1/K=1/Ks+1/Kp1/Κ=1/Κs+1/Κp式中,Ks為限位螺帽之間精軋螺紋鋼筋的軸向剛度;Kp為限位螺帽之間兩側(cè)橡膠墊塊的串聯(lián)軸向剛度。6.1.2梁體接觸點分析橫向彈塑性擋塊近似采用理想彈塑性連接單元進行模擬,其與梁體接觸點的力~變形滯回曲線見圖9。其中滯回曲線的屈服力Fy和屈服變位δy由擋塊的幾何構(gòu)造和材料力學性質(zhì)計算分析得到。6.1.3理想彈塑性連接單元的模擬對支座與梁底之間的縱、橫向滑動摩擦近似采用理想彈塑性連接單元進行模擬,其典型滯回曲線見圖10。滯回曲線屈服力Fy(即滑動起始摩擦力)取支座恒載軸壓力N乘以動摩擦系數(shù)。6.1.4伸縮縫接觸單元地震作用下伸縮縫位置相鄰梁端可能發(fā)生彈性碰撞,故采用接觸單元對其進行模擬。伸縮縫接觸單元的力~位移關(guān)系見圖11。相鄰梁端順橋向合攏運動的間隙值取該裝置所處伸縮縫寬度的0.5倍;順橋向彈性碰撞剛度K取伸縮縫構(gòu)造順橋向壓密后的彈性剛度。6.2非線性方程分析的結(jié)果6.2.1墩頂位移對比工況1、2的墩頂位移比較見表4。由表4可知,工況2由于考慮了順橋向連梁裝置、橫向彈塑性擋塊等措施后,墩頂?shù)目v、橫向位移均明顯小于工況1;同時,工況2由于在各聯(lián)之間設(shè)置了順橋向連梁裝置,在地震作用下,各聯(lián)各墩之間的變形一致性相對很好,各墩中心的變形值在0.22~0.26m之間。6.2.2第二、聯(lián)合順橋向彎矩對比工況1、工況2的墩底截面最不利彎矩見表5。由表5可知,工況2第一聯(lián)P2~P5號墩墩底順橋向彎矩相比工況1有所降低,第二、三聯(lián)橋墩順橋向彎矩則有所增加,主要原因是工況2采用的順橋向連梁裝置對每聯(lián)起到了連接作用,使得墩高較高的第一聯(lián)與其他聯(lián)之間存在內(nèi)力重分布。工況2墩底橫向彎矩普遍小于工況1,主要原因是工況2采用的彈塑性擋塊傳遞給墩身的橫向剪力總是等于其屈服荷載,可對墩身在橫向受力上形成能力保護,減小了橋墩橫向地震反應(yīng)。7高墩橋梁抗震反應(yīng)分析高墩橋梁在強震作用下具有明顯的非線性特征,按規(guī)范規(guī)定的線彈性反應(yīng)譜法計算分析已不能滿足結(jié)構(gòu)安全要求,因此對于高墩橋梁結(jié)構(gòu),應(yīng)采用能夠考慮高橋墩結(jié)構(gòu)特性、構(gòu)件各種非線性特征的非線性時程分析方法。選取合適的橫向彈塑性擋塊,可有效地控制各墩頂橫向位移,對墩身在橫向受力上形成能力保護,減小橋墩橫向地震反應(yīng)。通過本文的分析,可以得到如下結(jié)論:(1)反應(yīng)譜分析結(jié)