雙柱墩形式對(duì)連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的影響分析

雙柱墩形式對(duì)連續(xù)梁橋地震反應(yīng)的影響分析

在寬闊的橋梁上，雙柱的使用越來越頻繁。目前常見的雙柱墩形式主要有無系梁雙柱墩、系梁雙柱墩及蓋梁雙柱墩等。不同形式雙柱墩在恒載作用下受力基本一致,但在橫橋向地震作用下,3種形式橋墩的抗震性能差別較大。關(guān)于雙柱墩橫系梁對(duì)橋梁地震反應(yīng)的影響,已有一些研究。燕斌等得出橋墩系梁設(shè)置在墩柱中心偏下處時(shí),橋梁整體抗震性能較優(yōu),抗彎剛度小、質(zhì)量較輕的系梁斷面形式在實(shí)際工程中優(yōu)先選取;蘭峰等通過有限元分析得出橫系梁設(shè)置對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力調(diào)整分配影響很大。沈星等通過數(shù)值計(jì)算方法分析不同剛度的柔性橫系梁對(duì)雙柱墩橋梁的破壞機(jī)理和抗震性能的影響,并提出雙柱墩彈塑性位移能力簡化計(jì)算方法。可見,現(xiàn)有研究成果主要側(cè)重于系梁雙柱墩自身抗震性能的理論分析。但對(duì)于實(shí)際的橋梁工程,不同形式雙柱墩對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。本文以一座實(shí)際的三跨連續(xù)梁橋?yàn)楸尘?建立有限元模型,比較不同形式的雙柱墩對(duì)橋梁橫向動(dòng)力特性和彈性地震反應(yīng)的影響,基于延性抗震設(shè)計(jì)方法,對(duì)橋梁進(jìn)行全面的抗震分析,并著重對(duì)3種形式雙柱墩橋梁的支座、墩柱及基礎(chǔ)的地震需求進(jìn)行比較。1橋墩梁、樁基、系桿本文選取跨徑布置為3×20m的某實(shí)際連續(xù)梁作為研究對(duì)象。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,梁高1.6m,梁體混凝土采用C55高性能混凝土,主梁橫斷面圖見圖1。橋墩樁基為直徑1.5m鉆孔灌注樁,樁長為20m。墩柱采用C40混凝土,樁基采用C30混凝土。每1橋墩的2個(gè)墩柱間設(shè)1道橋墩系梁,系梁高1.0m,寬1.0m。橋墩構(gòu)造及基礎(chǔ)布置見圖2。1.1基礎(chǔ)模型的建立針對(duì)工程實(shí)例,利用SAP2000軟件進(jìn)行建模分析,其中主梁、橋墩及系梁采用空間梁單元模擬,承臺(tái)模擬為質(zhì)點(diǎn);樁基礎(chǔ)采用六彈簧模擬;支座采用連接單元模擬。支座的布置方式為:縱橋向,2號(hào)墩頂為2個(gè)固定支座,其余墩頂為滑動(dòng)支座;橫橋向,每個(gè)墩頂為一個(gè)固定支座及一個(gè)滑動(dòng)支座。建立了如下3個(gè)計(jì)算模型。1)模型1:無系梁模型。2)模型2:系梁模型。3)模型3:蓋梁雙柱墩模型,蓋梁為能力保護(hù)構(gòu)件,假定剛度為無窮大。圖3為設(shè)系梁時(shí)的全橋動(dòng)力分析模型。1.2地震參數(shù)本文選取E1、E2兩個(gè)概率水準(zhǔn)的地震加速度反應(yīng)譜作為地震動(dòng)輸入(見圖4)。2不同形式雙柱橋水平地震反應(yīng)2.1結(jié)構(gòu)縱向周期表1列出3種模型的前3階振型及周期。結(jié)果表明,橫系梁對(duì)結(jié)構(gòu)縱向周期無影響,而對(duì)橫向周期影響較大。與無系梁模型相比,蓋梁模型和系梁模型基本橫向周期分別減小61%、40%。這是由于蓋梁、橫系梁提高雙柱墩的整體橫向剛度所致。2.2不同形式橋墩的地震反應(yīng)表2列出各模型在E1地震作用下各墩柱頂、底的最大地震軸力、剪力、彎矩值,表中只是列出反應(yīng)相對(duì)最大的2號(hào)墩的結(jié)果。結(jié)果表明,由于系梁的設(shè)置增大橋墩的橫向剛度,使得蓋梁雙柱墩、系梁雙柱墩上固定支座的剪力分別是無系梁雙柱墩的2.71、2.30倍;但對(duì)于橋墩自身的地震內(nèi)力,系梁的設(shè)置不僅會(huì)改變墩柱的彎矩分布,同時(shí)將無系梁雙柱墩中全部由固定墩柱承擔(dān)的慣性力傳遞到滑動(dòng)墩柱上。所以對(duì)于墩柱自身,蓋梁雙柱墩、系梁雙柱墩墩柱的最大剪力分別是無系梁雙柱墩的1.64、1.21倍,最大彎矩分別是無系梁雙柱墩的0.65、0.79倍。另外,蓋梁雙柱墩會(huì)產(chǎn)生較大的地震軸力,系梁雙柱墩的地震軸力取決于系梁的剛度,剛度越大,地震軸力越大。表3列出各模型的2號(hào)墩2個(gè)墩柱下群樁基礎(chǔ)承臺(tái)底的最大地震內(nèi)力,表中結(jié)果表明,3種形式橋墩對(duì)基礎(chǔ)地震反應(yīng)的影響與墩柱類似,蓋梁雙柱墩的地震軸力和剪力最大,而地震彎矩最小。綜合以上分析,如果墩柱不屈服,則橫系梁可以減小橫向固定墩柱的最大地震彎矩,但會(huì)增大固定支座的地震剪力、墩柱和基礎(chǔ)的地震軸力和地震剪力。3柱、樁基及支護(hù)強(qiáng)度驗(yàn)算對(duì)橋梁進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)時(shí),需要驗(yàn)算E1地震下墩柱的抗彎強(qiáng)度和E2地震下墩柱的位移能力,并按能力保護(hù)構(gòu)件對(duì)墩柱的抗剪能力、群樁基礎(chǔ)及固定支座強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。由前述分析可知,2號(hào)墩的橫向地震反應(yīng)較1號(hào)墩稍大,而1號(hào)墩與2號(hào)墩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完全相同,所以,本節(jié)僅列出2號(hào)墩及其支座、基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算結(jié)果。而由于3種橋墩形式的墩柱、基礎(chǔ)和支座設(shè)計(jì)均是相同的,所以,對(duì)于能力保護(hù)構(gòu)件,僅進(jìn)行地震需求的比較即可得出橋墩形式對(duì)抗震驗(yàn)算結(jié)果的影響。3.1墩柱抗彎能力驗(yàn)算表4列出在E1地震作用下,2號(hào)墩橫向固定支座下墩柱的抗彎能力驗(yàn)算結(jié)果,從表中可見,對(duì)于墩柱抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算來說,蓋梁雙柱墩由于地震彎矩最小而最為有利,系梁雙柱墩次之,而無系梁時(shí)最為不利。3.2種形式橋墩的位移能力由表4可知,在E2地震作用下,橋墩柱已屈服,因此,采用等效截面剛度修正墩柱剛度,采用反應(yīng)譜方法計(jì)算墩柱頂?shù)膹椥晕灰?并采用文獻(xiàn)給出的位移修正公式進(jìn)行修正,得到2號(hào)墩頂?shù)卣鹞灰菩枨?見表5)?？梢?蓋梁雙柱墩的墩頂位移最小,約為無系梁雙柱墩的40%,系梁雙柱墩次之。對(duì)于3種形式橋墩的位移能力,無系梁雙柱墩可按文獻(xiàn)給出的單柱墩計(jì)算公式計(jì)算,而對(duì)于系梁雙柱墩以及蓋梁雙柱墩,采用沈星等提出的雙柱墩彈塑性位移能力簡化計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。式中:H為墩底到反彎點(diǎn)的距離4.5m,fy為縱筋的強(qiáng)度,MPa;ds為縱筋的直徑,cm。式中:L為橋墩高度,cm。雙柱墩墩頂塑性位移能力為表5列出3種形式橋墩對(duì)應(yīng)的位移能力,蓋梁雙柱墩位移能力最小,約為無系梁橋墩的81%,系梁雙柱墩次之。從能力與需求的比值來看,對(duì)于橋墩的位移驗(yàn)算來說,蓋梁雙柱墩最為有利,無系梁雙柱墩最為不利。3.3下墩基礎(chǔ)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值m對(duì)于梁式橋來說,能力保護(hù)構(gòu)件主要包括墩柱的抗剪、固定支座以及群樁基礎(chǔ)。根據(jù)CJJ166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,超強(qiáng)系數(shù)取1.2,表6列出3種形式的橋墩,分別根據(jù)最大、最小軸力計(jì)算出超強(qiáng)彎矩所對(duì)應(yīng)的剪力?？梢?蓋梁雙柱墩由于動(dòng)軸力大,且墩頂、墩底均會(huì)達(dá)到超強(qiáng)彎矩,所對(duì)應(yīng)的剪力最大。而無系梁雙柱墩僅墩底達(dá)到超強(qiáng)彎矩,對(duì)應(yīng)的剪力最小。蓋梁雙柱墩、系梁雙柱墩的最大剪力需求分別為無系梁雙柱墩的2.13倍、1.34倍。表7列出3種橋墩形式對(duì)應(yīng)的橫向固定支座的地震剪力需求,其中,無系梁雙柱墩的固定支座剪力等于其下墩柱剪力需求,而系梁雙柱墩和蓋梁雙柱墩的固定支座剪力則等于2個(gè)墩柱的剪力需求之和。表中數(shù)據(jù)表明,蓋梁雙柱墩上固定支座的剪力需求最大,為無系梁雙柱墩上固定支座剪力需求的3.96倍,而系梁雙柱墩則為2.58倍。表7還給出3種形式的橋墩對(duì)應(yīng)的固定支座下墩柱基礎(chǔ)的強(qiáng)度需求,以承臺(tái)底的內(nèi)力需求來表達(dá)。其中,作為低樁承臺(tái)基礎(chǔ),彎矩、剪力和軸力的設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)墩柱底部可能出現(xiàn)塑性鉸處截面的超強(qiáng)彎矩及其對(duì)應(yīng)剪力、墩柱恒載軸力,并考慮承臺(tái)的貢獻(xiàn)來計(jì)算。作用在承臺(tái)的水平地震力可用靜力法按式(6)計(jì)算:式中:Mt為承臺(tái)質(zhì)量,t;A為E2地震加速度峰值,m/s2。蓋梁雙柱墩承臺(tái)底組合剪力Q、彎矩M為表7表明,蓋梁雙柱墩承臺(tái)底的剪力和彎矩需求最大,為無系梁雙柱墩的1.87、1.25倍,而系梁雙柱墩承臺(tái)底的剪力、彎矩需求為無系梁雙柱墩的1.26、1.08倍。4橫系梁的設(shè)置本文針對(duì)3種不同形式的雙柱墩橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)比較,得到如下結(jié)果。1)在雙柱墩之間增設(shè)橫系梁增大橋墩的橫橋向剛度,使橫向振動(dòng)周期減小,從而增加主梁的地震慣性力。2)橫系梁的設(shè)置使上部結(jié)構(gòu)傳遞給橋墩的橫向地震力在2個(gè)墩柱間均勻分配,改善了墩柱自身的彎矩分布