雙柱墩形式對連續(xù)梁橋地震反應的影響分析

雙柱墩形式對連續(xù)梁橋地震反應的影響分析

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。關于雙柱墩橫系梁對橋梁地震反應的影響,已有一些研究。燕斌等得出橋墩系梁設置在墩柱中心偏下處時,橋梁整體抗震性能較優(yōu),抗彎剛度小、質量較輕的系梁斷面形式在實際工程中優(yōu)先選取;蘭峰等通過有限元分析得出橫系梁設置對橋梁下部結構的內力調整分配影響很大。沈星等通過數值計算方法分析不同剛度的柔性橫系梁對雙柱墩橋梁的破壞機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算方法?？梢?現(xiàn)有研究成果主要側重于系梁雙柱墩自身抗震性能的理論分析。但對于實際的橋梁工程,不同形式雙柱墩對橋梁抗震設計結果會產生影響。本文以一座實際的三跨連續(xù)梁橋為背景,建立有限元模型,比較不同形式的雙柱墩對橋梁橫向動力特性和彈性地震反應的影響,基于延性抗震設計方法,對橋梁進行全面的抗震分析,并著重對3種形式雙柱墩橋梁的支座、墩柱及基礎的地震需求進行比較。1橋墩梁、樁基、系桿本文選取跨徑布置為3×20m的某實際連續(xù)梁作為研究對象。主梁采用預應力混凝土連續(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個墩柱間設1道橋墩系梁,系梁高1.0m,寬1.0m。橋墩構造及基礎布置見圖2。1.1基礎模型的建立針對工程實例,利用SAP2000軟件進行建模分析,其中主梁、橋墩及系梁采用空間梁單元模擬,承臺模擬為質點;樁基礎采用六彈簧模擬;支座采用連接單元模擬。支座的布置方式為:縱橋向,2號墩頂為2個固定支座,其余墩頂為滑動支座;橫橋向,每個墩頂為一個固定支座及一個滑動支座。建立了如下3個計算模型。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,蓋梁為能力保護構件,假定剛度為無窮大。圖3為設系梁時的全橋動力分析模型。1.2地震參數本文選取E1、E2兩個概率水準的地震加速度反應譜作為地震動輸入(見圖4)。2不同形式雙柱橋水平地震反應2.1結構縱向周期表1列出3種模型的前3階振型及周期。結果表明,橫系梁對結構縱向周期無影響,而對橫向周期影響較大。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,表中只是列出反應相對最大的2號墩的結果。結果表明,由于系梁的設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;但對于橋墩自身的地震內力,系梁的設置不僅會改變墩柱的彎矩分布,同時將無系梁雙柱墩中全部由固定墩柱承擔的慣性力傳遞到滑動墩柱上。所以對于墩柱自身,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,蓋梁雙柱墩會產生較大的地震軸力,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號墩2個墩柱下群樁基礎承臺底的最大地震內力,表中結果表明,3種形式橋墩對基礎地震反應的影響與墩柱類似,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,但會增大固定支座的地震剪力、墩柱和基礎的地震軸力和地震剪力。3柱、樁基及支護強度驗算對橋梁進行延性抗震設計時,需要驗算E1地震下墩柱的抗彎強度和E2地震下墩柱的位移能力,并按能力保護構件對墩柱的抗剪能力、群樁基礎及固定支座強度進行驗算。由前述分析可知,2號墩的橫向地震反應較1號墩稍大,而1號墩與2號墩的結構設計完全相同,所以,本節(jié)僅列出2號墩及其支座、基礎的抗震驗算結果。而由于3種橋墩形式的墩柱、基礎和支座設計均是相同的,所以,對于能力保護構件,僅進行地震需求的比較即可得出橋墩形式對抗震驗算結果的影響。3.1墩柱抗彎能力驗算表4列出在E1地震作用下,2號墩橫向固定支座下墩柱的抗彎能力驗算結果,從表中可見,對于墩柱抗彎強度驗算來說,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,采用反應譜方法計算墩柱頂的彈性位移,并采用文獻給出的位移修正公式進行修正,得到2號墩頂地震位移需求(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。對于3種形式橋墩的位移能力,無系梁雙柱墩可按文獻給出的單柱墩計算公式計算,而對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算方法進行計算。式中:H為墩底到反彎點的距離4.5m,fy為縱筋的強度,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種形式橋墩對應的位移能力,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,對于橋墩的位移驗算來說,蓋梁雙柱墩最為有利,無系梁雙柱墩最為不利。3.3下墩基礎鋼結構設計值m對于梁式橋來說,能力保護構件主要包括墩柱的抗剪、固定支座以及群樁基礎。根據CJJ166—2011《城市橋梁抗震設計規(guī)范》,超強系數取1.2,表6列出3種形式的橋墩,分別根據最大、最小軸力計算出超強彎矩所對應的剪力?？梢?蓋梁雙柱墩由于動軸力大,且墩頂、墩底均會達到超強彎矩,所對應的剪力最大。而無系梁雙柱墩僅墩底達到超強彎矩,對應的剪力最小。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種橋墩形式對應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個墩柱的剪力需求之和。表中數據表明,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種形式的橋墩對應的固定支座下墩柱基礎的強度需求,以承臺底的內力需求來表達。其中,作為低樁承臺基礎,彎矩、剪力和軸力的設計值應根據墩柱底部可能出現(xiàn)塑性鉸處截面的超強彎矩及其對應剪力、墩柱恒載軸力,并考慮承臺的貢獻來計算。作用在承臺的水平地震力可用靜力法按式(6)計算:式中:Mt為承臺質量,t;A為E2地震加速度峰值,m/s2。蓋梁雙柱墩承臺底組合剪力Q、彎矩M為表7表明,蓋梁雙柱墩承臺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橫系梁的設置本文針對3種不同形式的雙柱墩橋梁進行抗震設計比較,得到如下結果。1)在雙柱墩之間增設橫系梁增大橋墩的橫橋向剛度,使橫向振動周期減小,從而增加主梁的地震慣性力。2)橫系梁的設置使上部結構傳遞給橋墩的橫向地震力在2個墩柱間均勻分配,改善了墩柱自身的彎矩分布