基于非線性時程分析法的高墩橋梁支座選型研究

基于非線性時程分析法的高墩橋梁支座選型研究

1網(wǎng)絡連接單元1.1橡膠連接橡膠支撐是由多層薄橡膠片和鋼板重疊而成的。支座平面形狀多為圓形或矩形。板式橡膠支座可用線性彈簧連接單元模擬。1.2彈簧應力場模擬聚四氟乙烯滑板支座是聚四氟乙烯滑板式橡膠支座的簡稱,主要由板式橡膠支座和聚四氟乙烯滑板疊合而成,其動力滯回曲線類似于理想彈塑性材料的應力-應變關系,可用雙線性理想彈塑性彈簧連接單元模擬。1.3橡膠固定固定盆式橡膠支座可以當作具有三向約束的鉸,約束連接點之間的平動位移和豎向位移。1.4臨界滑動摩擦力活動盆式橡膠支座又分為單向活動盆式橡膠支座和雙向活動盆式橡膠支座。在活動方向,活動盆式橡膠支座的臨界滑動摩擦力Fmax=μdN。式中:μd為滑動摩擦系數(shù),根據(jù)《公路橋梁盆式橡膠支座》(JT391),取0.05進行分析計算;N為支座所承擔的上部結構重力。1.5入鉛芯，成鉛芯鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座的基礎上插入鉛芯而制成的。大量動力性能試驗表明,鉛芯橡膠支座的滯回曲線呈雙線性,可采用雙線性恢復力模式進行地震反應分析。2纖維塑性鉸彈塑性梁單元的確定在采用“89規(guī)范”進行橋梁抗震分析時,對于橋墩,通常的做法是采用經(jīng)典的歐拉空間梁柱單元模擬,也可采用基于Timoshenko梁理論的能夠考慮剪切變形影響的梁單元來模擬。這兩種單元只能計算橋墩在地震作用下的彈性反應,而不能反應橋墩的延性行為。當需要進行橋梁抗震非線性分析時,有兩種較成熟的彈塑性梁單元可以采用:一種是沿單元長度積分的彈塑性纖維梁單元,這種單元可以模擬受力過程中沿桿長方向截面剛度的連續(xù)變化;另一種是考慮塑性鉸長度的纖維塑性鉸彈塑性梁單元,即認為單元的塑性變形集中在一定長度范圍的塑性鉸上,與彈塑性纖維梁單元相比,是一種比較簡單且有很好精度的模型?！罢髑笠庖姼濉辈捎美w維塑性鉸彈塑性梁單元進行橋梁的非線性分析,并給出了塑性鉸特性的計算公式。根據(jù)“征求意見稿”,其抗震設防目標是:當遭遇橋梁設計基準期內發(fā)生概率較高的地震影響E1時,各類橋梁一般不受損壞或不需要修復可繼續(xù)使用;當遭受橋梁設計基準期內發(fā)生概率較低的地震影響E2時,A類橋梁一般不受損壞或不需要修復可繼續(xù)使用,B、C類橋梁應保證不致倒塌或不產生嚴重結構損傷,經(jīng)加固修復后仍可繼續(xù)使用。因此,本文在進行地震影響E1作用下的結構反應分析時,采用彈性的空間梁柱單元;在進行地震影響E2作用下的結構反應分析時,根據(jù)CALTRANS(V1.2)規(guī)范,橋墩潛在開裂破壞部位采用有效截面慣性矩,并在墩底設置具有一定塑性鉸長度的纖維塑性鉸梁單元,橋墩其他部位采用彈性的空間梁柱單元。本文取墩底H/5長度段為潛在塑性鉸區(qū)域,H為墩高,塑性鉸單元長度取H/5。橋墩截面的P-M-ue001φ曲線采用UCFyber程序進行分析。UCFyber是美國加州大學Berkeley分校開發(fā)的專門從事截面恢復力特性計算的專用程序,其混凝土應力一應變關系采用Mander模型,混凝土和鋼筋的恢復力模型均為曲線,計算過程中對曲線進行全過程跟蹤。橋墩的有效截面慣性矩和塑性鉸特性均從截面的P-M-ue001φ曲線得到。3設計加速度時程波的計算橋梁結構地震反應隨地震動輸入的變化,可能會有很大的差異,因此采用合適的地震動時程進行分析是非常重要的。根據(jù)“征求意見稿”的規(guī)定:未做過地震安全性評價的橋址,可根據(jù)設計加速度反應譜,按隨機合成方法生成設計加速度時程;為了考慮地震動的隨機性,每組設計加速度時程至少要有3條,且要保證任意二時程間的相關系數(shù)小于0.1;在設計地震E1作用下,可采用線性時程分析方法進行抗震計算,時程分析結果應不小于反應譜法或功率譜法結果的80%。這里選用“征求意見稿”中的Ⅱ類場地3區(qū),結構阻尼比為0.05的設計加速度反應譜(使用時給出了下限),委托四川省地震局按隨機合成方法生成了3條設計加速度時程,峰值加速度為0.15g,見圖1所示。為了檢驗這3條時程波的適用性,這里選取四川省雅安～瀘沽高速公路上的一座4跨一聯(lián)的結構簡支橋面連續(xù)的橋梁進行分析比較。橋梁標準跨徑為40m,上部結構采用裝配式預應力混凝土簡支T梁,下部結構采用獨柱式空心薄壁墩和T形預應力混凝土蓋梁,基礎采用挖孔嵌巖樁,支座采用板式橡膠支座和四氟滑板支座。橋墩高度均為40m,蓋梁高度為3m,簡支T梁高度為2.5m,橋面寬12.25m,兩岸設置橋臺。蓋梁上共設兩排板式橡膠支座,每排5個,板式橡膠支座的規(guī)格為350mm×450mm×57mm,單個支座的剪切剛度為3500kN/m;每個橋臺上設置5個四氟滑板支座,線性計算時不考慮其摩擦作用,認為連接點之間縱向無約束。計算模型見圖2。橋墩截面和配筋見圖3。截面順橋向高300cm,上、下緣外側鋼筋均為22ue001φ25。在計算模型中,為了研究問題的方便,認為橋墩在墩底固結,以一固結節(jié)點模擬橋臺。主梁采用單梁模式,每跨重9200kN。蓋梁以一集中質量代替,每個重1630kN;蓋梁和橋臺在橫向均設置擋塊,這里認為主梁在橫向被卡住,即對連接點采用橫向的主從約束。利用MIDASCivil程序,對結構進行地震E1作用下的分析計算,反應譜法和線性時程分析法計算的縱橋向結果見表1。由于各橋墩順橋向的地震反應非常接近,因此這里只給出中墩的計算結果。從表1可以看出,采用線性時程分析法計算的結果與反應譜法計算的結果十分接近,相對誤差不超過10%,因此可利用這3條設計加速度時程來進行結構抗震計算。4橋臺段板式橡膠合成方案為了比較板式橡膠支座、盆式橡膠支座、四氟滑板支座、鉛芯橡膠支座對結構地震反應的影響,這里采用上述橋梁,進行了非線性時程地震反應分析。首先利用UCFyber程序對墩底截面進行分析,得到截面在恒載軸力作用下縱橋向的M-ue001φ曲線,見圖4。墩底截面在恒載軸力為15800kN作用下,其縱橋向的有效屈服曲率為1.136×10-3(1/m),有效屈服彎矩為50180kN·m,極限曲率為15.45×10-3(1/m),截面的超強系數(shù)為1.001。根據(jù)“征求意見稿”,等效的塑性鉸長度取0.5m,塑性鉸區(qū)的最大容許轉角為3.58×10-3rad。為了比較上述幾種支座對橋梁結構地震反應的影響,這里設計了4種支座布置方案:方案①,是在橋臺處設置四氟滑板支座,在橋墩處設置板式橡膠支座,這是高速公路上最常見的一種支座布置方案;方案②,是在橋臺和橋墩處均設置板式橡膠支座;方案③,是在橋臺處設置四氟滑板支座,在橋墩處設置鉛芯橡膠支座;方案④,是在橋臺處設置活動盆式橡膠支座,在橋墩處設置固定盆式橡膠支座,這種布置在簡支T梁上不常見,多用于連續(xù)橋梁。根據(jù)“征求意見稿”,利用MIDASCivil程序對橋梁結構在地震E2作用下的反應,進行非線性時程分析,3條時程計算的最大值的平均值見表2。由于各橋墩順橋向的地震反應非常接近,因此這里只給出中墩的計算結果。從表2可以得到如下結論。(1)采用方案①、③、④時,周期長,梁體位移大,一般設計的伸縮縫難以滿足抗震要求,因此對于地震區(qū)的高墩橋梁,如果在橋臺處設置四氟滑板支座或者活動盆式橡膠支座,那么需要考慮地震作用下主梁與橋臺的碰撞作用,并且應設置必要的防碰撞落梁裝置,如在橋臺處設置“碰即脫”裝置以保護主梁或在兩岸埋設松弛纜索對主梁進行限位。(2)采用方案②時,周期、梁體位移、墩頂支座變形、墩底內力均較其他方案小,并且在地震動峰值加速度為0.20g時,橋墩還能保持彈性,這主要是因為橋臺承擔了較大的水平地震力,但缺點是橋臺處支座變形在14cm以上,按照“89規(guī)范”或“征求意見稿”,要求橡膠層總厚度也應在14cm以上,這樣板式橡膠支座的厚度就不小于18cm,支座尺寸偏大。(3)采用方案①和方案③時,在地震動峰值加速度為0.15g的情況下,橋墩能保持彈性,在地震動峰值加速度為0.20g的情況下,墩底內力較大,橋墩發(fā)生塑性變形,但塑性轉角比容許值稍大,增大縱向鋼筋直徑能滿足延性抗震設計要求;方案③的墩頂支座變形比方案①的小,而且鉛芯橡膠支座的剪切變形不超過1.5cm,減震耗能效果不顯著,這與矮墩橋梁的研究結果存在較大差別,因此,對于地震區(qū)的高墩橋梁,能夠采用板式橡膠支座進行抗震設計時,不宜采用鉛芯橡膠支座。(4)采用方案④時,梁體位移、墩底剪力、墩底彎矩均比采用方案①和方案③時小,在地震動峰值加速度為0.15g的情況下,橋墩能保持彈性,在地震動峰值加速度為0.20g的情況下,橋墩發(fā)生塑性變形,但塑性轉角較小,且在容許范圍內,這是因為采用固定盆式橡膠支座約束了墩、梁縱向的相對位移,提高了結構的剛度,縮短了周期,使得梁體位移減小,墩頂?shù)乃轿灰埔蚕鄳獪p小,從而使得塑性鉸的塑性轉角減小。(5)對于西部地震區(qū)高墩橋梁,其抗震設計的思路與矮墩橋梁完全相反,前者應努力提高結構的剛度,減小梁體位移,抗震設計由位移控制;后者則相反,應努力降低結構的剛度,延長周期,減小結構內力,抗震設計由內力控制。從上面的分析結果可知,從抗震角度來考慮,西部地震區(qū)高墩橋梁支座的選型原則是盡量提高結構的剛度,減小梁體位移和墩頂位移。5高墩橋梁結構抗震設計分析采用非線性時程分析方法,通過對西部地震區(qū)高墩橋梁支座的合理選型進行研究,得出以下結論。(1)在橋臺處設置四氟滑板支座或活動盆式橡膠支座時,地震作用下梁體位移較大,需要考慮地震作用下主梁與橋臺的碰撞作用,并且應設置必要的防碰撞裝置。(2)在地震作用下,高墩橋梁上鉛芯橡膠支座的剪切變形小,減震耗能效果不顯著。(3)全部采用板式橡膠支座時,雖然能夠顯著地減小橋墩的內力反應和梁體位移,但是橋臺處需設置大尺寸高厚度的板式橡膠支座。(4)在高墩處采用固定盆式橡膠支座,在橋臺處采用活動盆