雙柱式高墩橫系梁對(duì)連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響分析

雙柱式高墩橫系梁對(duì)連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響分析

0橫系梁組合構(gòu)造組合中國(guó)西部的許多公路橋梁位于地形復(fù)雜的山區(qū)。這座山溝橋具有曲線(xiàn)、大曲線(xiàn)、高碼頭等特點(diǎn)。因此，在橋型選擇上，主要采用鋼筋混凝土和預(yù)制混凝土梁橋，下部結(jié)構(gòu)通常采用雙柱式輕量橋。這種橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是上部結(jié)構(gòu)跨徑小,下部結(jié)構(gòu)能夠很好的滿(mǎn)足傳遞上部結(jié)構(gòu)的荷載效應(yīng);雙柱式橋墩構(gòu)造簡(jiǎn)單,節(jié)省了鋼筋和混凝土用量,自重輕,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,施工技術(shù)成熟,外觀輕盈美觀。西部山區(qū)的高速公路橋梁大部分處于地震烈度較高的地區(qū),跨越山谷河流通常采用雙柱式高墩中小跨徑橋梁的結(jié)構(gòu)形式。在罕遇地震動(dòng)作用下橋墩墩身往往產(chǎn)生不同的病害。對(duì)于沒(méi)有在雙柱之間加設(shè)橫系梁的結(jié)構(gòu),最常見(jiàn)的破壞是橋墩墩底由于所受彎矩較大而發(fā)生彎曲型破壞,表現(xiàn)為墩底混凝土壓碎,縱筋屈曲,如圖1所示。而加設(shè)橫系梁的橋墩大部分是橫系梁在與墩柱連接處形成塑性鉸,通過(guò)材料的塑性變形消耗地震動(dòng)能量的輸入,保護(hù)橋墩墩身不受破壞,如圖2所示。橫系梁的剛度、布置方式和數(shù)量都會(huì)影響到雙柱墩的抗震性能和破壞模式,通過(guò)圖2與圖3的比較發(fā)現(xiàn),合理設(shè)計(jì)橫系梁能夠使橫系梁在地震動(dòng)作用下起到“保險(xiǎn)絲”單元的作用,保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)的安全。因此研究在雙柱墩之間合理設(shè)計(jì)橫系梁來(lái)提高橋墩的抗震性能具有現(xiàn)實(shí)意義。1傳統(tǒng)t梁拼裝后的內(nèi)壓板設(shè)計(jì)本橋由于地處山溝地帶,在跨徑布置上采用5×30m的連續(xù)梁,主梁截面采用5片窄翼緣T梁拼裝然后現(xiàn)澆部分翼緣板形成整體式主梁截面。下部結(jié)構(gòu)采用圓形雙柱式橋墩,墩身直徑1.5m,墩身中心間距6.6m,墩高分別為P1(35m)、P2(42m)、P3(52.4m)、P4(46.7m),有限元模型如圖4所示。2梁群系統(tǒng)設(shè)置2.1橫系梁與雙柱式框架墩身彎矩對(duì)比在結(jié)構(gòu)力學(xué)中計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)形式的框架結(jié)構(gòu),力學(xué)圖示如圖5所示,其典型的彎矩圖如圖6所示。從圖6來(lái)看,有橫系梁的雙柱式框架墩身彎矩比無(wú)橫系梁時(shí)小,并且橫系梁越多墩身彎矩越小。因此,對(duì)于高墩,適當(dāng)?shù)脑黾訖M系梁有利于墩身彎矩分配,減小在地震作用下的損傷,有效的保護(hù)橋梁上部結(jié)構(gòu)不致倒塌和傾覆。2.2橫系梁的布置在本橋下部結(jié)構(gòu)中,雙柱與蓋梁形成門(mén)式框架結(jié)構(gòu)體系,在橫橋向地震作用下上部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)的橫橋向水平力作用到蓋梁上,會(huì)引起墩底產(chǎn)生很大的彎矩。而在雙柱之間加設(shè)橫系梁能夠有效的減小此彎矩值。橫系梁剛度的選擇對(duì)墩身彎矩分布有很大的影響。橫系梁剛度過(guò)小,起不到調(diào)整雙柱式框架墩內(nèi)力的作用;橫系梁剛度過(guò)大,則可能導(dǎo)致墩身彎矩在橫系梁附近非常大,易導(dǎo)致墩身承載力不足而發(fā)生彎曲破壞,同時(shí)橫系梁的材料使用也不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD62-2004)中第9.6.5條規(guī)定,柱式墩臺(tái)橫系梁截面高度和寬度分別取0.8～1.0倍和0.6～0.8倍的墩柱直徑或長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)。本橋圓形墩柱直徑為1.5m,故取橫系梁的高1.2m,寬1m。模型1:考慮所有橋墩只加設(shè)1道橫系梁。根據(jù)文獻(xiàn)中橫系梁布置規(guī)律,將橫系梁布置在距墩底0.6H時(shí)能夠使框架結(jié)構(gòu)受力最合理。增加橫系梁后的有限元模型如圖7所示。模型2:由于各橋墩較高,考慮加設(shè)2道橫系梁,橫系梁分別布置在距墩底0.3H和0.7H的位置,截面仍采用1.2×1.0m矩形截面。3種模型的周期及振型的比較分析橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期、振型等是反映結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的模態(tài)參數(shù),是評(píng)價(jià)橋梁動(dòng)力性能的重要依據(jù),不同模型的周期對(duì)比如圖8所示。通過(guò)對(duì)無(wú)橫系梁模型、有橫系梁模型1、有橫系梁模型2進(jìn)行模態(tài)分析,得到這3種橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,取前10階模態(tài)如表1、2所示。從3種模型的周期及振型的比較分析中可知,橫系梁不影響橋梁結(jié)構(gòu)的縱向動(dòng)力特性,而對(duì)橋梁橫向受力性能影響較大。與無(wú)橫系梁模型相比,模型1的第1階振動(dòng)周期減小了17%,有橫系梁模型2的第1階振動(dòng)周期減小了24.1%。第1階振動(dòng)周期的減小是由于橫系梁增強(qiáng)了橫橋向的剛度,提高了雙柱式橋墩的整體受力能力。由于橫系梁的加設(shè)只對(duì)橫橋向有影響,對(duì)3種模型橫橋向振型貢獻(xiàn)率進(jìn)行比較,如表2所示。由表2中數(shù)據(jù)顯示1階振型貢獻(xiàn)率數(shù)隨著橫系梁的增多而減小,有一道橫系梁模型橫橋向振動(dòng)收斂快,在前10階振型貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上,而有兩道橫系梁模型的橫向高階振型較多,說(shuō)明兩道橫系梁對(duì)橋墩框架結(jié)構(gòu)的剛度提高明顯。4高墩框架結(jié)構(gòu)加設(shè)運(yùn)動(dòng)方程根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TB02-01-2008和橋址處的地震動(dòng)加速度參數(shù),得到50a超越概率10%、阻尼比為5%的場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜,如圖9所示,并將其按照橫橋向輸入到以上3個(gè)模型中進(jìn)行反應(yīng)譜分析,得到各墩身以及橫系梁梁端的最大彎矩值,其結(jié)果如表3及圖10所示。從以上數(shù)據(jù)顯示,高墩框架結(jié)構(gòu)加設(shè)一道橫系梁不能降低墩身彎矩,而且橫系梁梁端彎矩較大;加設(shè)兩道橫系梁對(duì)結(jié)構(gòu)受力是有利的,而且橫系梁梁端彎矩較大。5最大彎矩與震害關(guān)系通過(guò)反應(yīng)譜分析可知加設(shè)兩道橫系梁對(duì)改善橋墩受力情況非常有利,而兩道橫系梁的相對(duì)位置也影響到橫系梁作用的發(fā)揮。針對(duì)橫系梁在不同位置進(jìn)行了反應(yīng)譜分析計(jì)算,得到各墩身以及橫系梁兩端的最大彎矩值如表4所示。從目前已有的橫系梁震害經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,在設(shè)計(jì)地震作用下橫系梁由于抗彎抗剪能力不足而發(fā)生彎曲破壞或剪切破壞,使得結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期延長(zhǎng),減小了作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的地震力;同時(shí)橫系梁在破壞的過(guò)程中進(jìn)入塑性,能夠消耗一部分地震動(dòng)能量,形成一個(gè)耗能機(jī)制,對(duì)保護(hù)墩柱和提高橋梁整體抗震性能是有利的。因此加設(shè)的兩道橫系梁要求既能有效的調(diào)整墩身彎矩分布,同時(shí)在設(shè)計(jì)地震作用下能夠發(fā)生彎曲破壞,從而達(dá)到延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期,消耗地震動(dòng)能量輸入。從圖中可以看出模型5,即當(dāng)兩道橫系梁的位置分別在距墩底0.3H和0.8H時(shí)對(duì)全橋結(jié)構(gòu)最有利。6橫系梁剛度由于雙柱與蓋梁形成門(mén)式框架結(jié)構(gòu)體系是多次超靜定結(jié)構(gòu),橫系梁的剛度相對(duì)于墩柱剛度的大小直接影響到結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配。橫系梁的剛度過(guò)小,在內(nèi)力分配過(guò)程中承擔(dān)的內(nèi)力較小,甚至可能出現(xiàn)在地震作用下墩柱已經(jīng)損壞而橫系梁卻沒(méi)有損傷的情況,這種情況下橫系梁基本上沒(méi)有發(fā)揮作用;橫系梁剛度過(guò)大,在內(nèi)力分配過(guò)程中梁端承擔(dān)的內(nèi)力較大,可能導(dǎo)致橫系梁與墩柱連接的節(jié)點(diǎn)處墩身發(fā)生破壞,修復(fù)工作非常困難。因此選擇適中的橫系梁剛度,使之在常遇地震下處于彈性范圍內(nèi),有效的調(diào)整框架內(nèi)力,減小墩身彎矩;在設(shè)計(jì)地震或罕遇地震下能夠先于墩身進(jìn)入塑性狀態(tài),通過(guò)橫系梁的損傷來(lái)消耗一部分地震動(dòng)能量的輸入,減輕下部承重結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)的安全。根據(jù)前面的分析,將不同截面尺寸的橫系梁分別設(shè)置在0.3H和0.8H處進(jìn)行分析比較,計(jì)算結(jié)果如表5所示。計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)橫系梁截面高度為1～1.2m(0.65D～0.8D,其中D為圓柱墩身的直徑),寬度為0.9～1m(0.6D～0.7D)時(shí),對(duì)結(jié)構(gòu)的受力體系比較有利。從橫系梁截面的剛度與墩身剛度比來(lái)看,適中的比例范圍是0.3～0.6。7橫系梁的布置(1)雙柱式高墩之間加設(shè)橫系梁,不僅能提高橋墩的穩(wěn)定性,還能夠調(diào)整橫橋向框架墩內(nèi)力,減小柱式橋墩墩身的受力。(2)從動(dòng)力特性分析結(jié)果可知,橫系梁不影響橋梁的縱向振動(dòng),增加橫橋向剛度,減小第1階橫向振型的振動(dòng)周期。(3)從反應(yīng)譜分析結(jié)果可知,對(duì)于墩高超過(guò)30m的雙柱式橋墩,加設(shè)兩道