雙柱式柔性墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能分析

雙柱式柔性墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能分析

四川省西部山區(qū)發(fā)生地震，大量橋梁受損或受損，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重影響了應(yīng)急救災(zāi)活動(dòng)。柔性墩橋是道路橋的一種非常常見(jiàn)的形狀。這座橋在地震中是最容易被破壞的。因此，對(duì)該橋的地震害分析和抗疲勞防滑性能的研究具有重要意義。百花大橋位于汶川縣映秀鎮(zhèn)的岷江上,2004年通車(chē),是雙柱式墩多跨連續(xù)梁橋.該橋距離汶川地震的震中僅有2km,因而在地震中遭到巨大破壞,第五聯(lián)發(fā)生了整體坍塌,其他多聯(lián)也發(fā)生了梁體的位移、轉(zhuǎn)動(dòng),墩柱的折斷、壓潰、剪斷與系梁的折斷.1墩與雙柱式橋墩百花大橋全長(zhǎng)495.55m,橋面寬8m,跨徑組合為(4×25+5×25+1×50+3×25+5×20+2×20)m.第三聯(lián)(主跨)為4片預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁,其余各聯(lián)均為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)組合箱梁.第一聯(lián)位于半徑150m的左偏曲線上,轉(zhuǎn)彎近40°;第五聯(lián)位于半徑66m的右偏曲線上,轉(zhuǎn)彎近90°;其余各聯(lián)為直線段.橋墩均采用雙柱式圓形截面墩,兩墩柱之間分別于中部和下部設(shè)一道橫向系梁,第9、10、13號(hào)墩上設(shè)置蓋梁,其余各墩均直接支撐梁體.第2、7、12、16、19號(hào)墩為固定墩,墩高分別為22.1m、14.2m、29.8m、26.9m、7.1m;第9、10號(hào)墩支撐主跨,墩高分別為19.8m、12.2m.第9、10號(hào)墩截面直徑為2.0m,其余墩截面直徑均為1.5m.每一聯(lián)的邊墩上設(shè)雙向滑動(dòng)支座,固定墩的兩個(gè)墩柱上分別設(shè)固定鉸支座和縱向滑動(dòng)支座,除邊墩和固定墩外的其余各墩上均設(shè)置板式橡膠支座.百花大橋的總體布置如圖1所示,本文作者利用MIDAS軟件建立全橋有限元模型進(jìn)行計(jì)算.2結(jié)構(gòu)的剛度分析結(jié)構(gòu)的特征值分析采用子空間迭代法,迭代20次.為使累積參與質(zhì)量超過(guò)90%,須考慮前180階振型.自振特性的前10階計(jì)算結(jié)果如表1所示.根據(jù)自振特性分析結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:1)該橋的基頻偏小,為0.2391Hz,說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體剛度較小.這是因?yàn)樵摌虿捎昧硕崭咻^大、剛度較小的雙柱式墩,且梁和墩之間的連接剛性較小.2)該橋的前3階振型分別為第四、第一、第五聯(lián)的縱向側(cè)移振型,這是因?yàn)榈谒?、第一、第五?lián)的墩高較高,墩的縱向抗側(cè)剛度較小.3)在前20階振型中,各聯(lián)梁體的水平轉(zhuǎn)動(dòng)也占有較大比例.這是因?yàn)槊柯?lián)均只在固定墩上設(shè)一個(gè)固定支座,而其余墩上僅設(shè)橫向約束作用很小的橡膠支座或雙向滑動(dòng)支座,故容易產(chǎn)生圍繞固定墩的水平轉(zhuǎn)動(dòng).3反應(yīng)譜分析和線性軌跡分析3.1反應(yīng)譜汶川地震后,汶川縣的抗震設(shè)防烈度改為8度(0.2g).百花大橋?yàn)槎?jí)公路上的大橋,屬于B類(lèi)橋梁.橋址場(chǎng)地覆蓋土為中密的碎石,屬Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地.分析采用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)范反應(yīng)譜.水平設(shè)計(jì)加速度最大值為Smax=2.25CsCdCiA(1)Smax=2.25CsCdCiA(1)式中:Cs為場(chǎng)地系數(shù);Cd為阻尼調(diào)整系數(shù);Ci為抗震重要性系數(shù);A為基本水平加速度.由式(1),算得Smax=0.1935g.取豎向/水平向譜比函數(shù)值為0.5,計(jì)算豎向反應(yīng)譜.分析振型組合方式選用完全二次項(xiàng)組合(CQC)法,考慮兩種地震作用組合方式,縱向地震+豎向地震和橫向地震+豎向地震.3.2從多波場(chǎng)期組合選取3條地震波EL-Centro、Taft、Northridge進(jìn)行時(shí)程分析,這3條波均適用于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地條件,其主要周期與場(chǎng)地卓越周期接近.3條波的峰值加速度分別為0.3569g、0.1557g、0.6047g,而百花大橋的設(shè)計(jì)基本地震峰值加速度為0.2g,得3條波的峰值調(diào)整系數(shù)分別為0.241、0.552、0.142.分析中考慮縱向+豎向、橫向+豎向兩種地震作用組合方式.3.3各條時(shí)程波分析各墩在E1地震作用下的彎矩和剪力響應(yīng)分別如表2和表3所示.由于固定墩及9、10號(hào)墩左墩柱的響應(yīng)值較大,故僅列出這些墩柱的數(shù)據(jù).可以看出,固定墩和承受較大質(zhì)量的9、10號(hào)墩產(chǎn)生了較大的彎矩和剪力響應(yīng),高度較大的墩則產(chǎn)生了較大的墩頂位移響應(yīng).此外,由于固定支座僅設(shè)在固定墩的一個(gè)墩柱上,故該墩柱所產(chǎn)生的內(nèi)力和位移響應(yīng)遠(yuǎn)大于另一個(gè)墩柱.比較反應(yīng)譜分析結(jié)果和各條時(shí)程波分析結(jié)果可知:Northridge波的響應(yīng)分布較為集中,即固定墩的響應(yīng)較大,其他墩的響應(yīng)較小;而EL-Centro波和Taft波的響應(yīng)分布相對(duì)較為均勻分散.在響應(yīng)數(shù)值方面,順橋向地震作用下的反應(yīng)譜分析結(jié)果偏小,其余情況下4種分析結(jié)果沒(méi)有太大出入.4b類(lèi)橋墩的壓彎驗(yàn)算一般情況下,橋梁梁體在E1地震作用下的強(qiáng)度是足夠的,抗震設(shè)計(jì)中一般不需要進(jìn)行梁體強(qiáng)度的驗(yàn)算.而橋墩一般是地震中的薄弱部位,須對(duì)橋墩的壓彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算.橋墩的壓彎驗(yàn)算采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)公式.對(duì)于均勻配筋的圓形截面鋼筋混凝土墩柱,壓彎驗(yàn)算公式為{γ0Νd≤Ar2fc+Cρr2fs′γ0Νde0≤Br3fc+Dρδr3fs′(2)式中:γ0為橋梁的重要性系數(shù);Nd為軸力設(shè)計(jì)值;r為墩截面的半徑;fc為混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;ρ為縱筋配筋率;fs′為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;e0為軸向力的偏心距;δ為縱筋所在圓周的半徑與墩截面半徑的比值;A、B和C、D為計(jì)算系數(shù).橋墩的抗剪驗(yàn)算采用《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的規(guī)定,B類(lèi)橋梁的抗剪承載力為Vn=φ(0.0023√fc′×Ae+Vs)(3)Vs=0.1AkbSkfyh≤0.067√fc′×Ae(4)式中:Vn為橋墩的抗剪強(qiáng)度;φ為抗剪強(qiáng)度折減系數(shù);fc′為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;Ae為核心混凝土的面積;Vs為箍筋的抗剪能力;Ak為同一截面的箍筋總面積;b為橋墩在計(jì)算方向上的寬度;Sk為箍筋間距;fyh為箍筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值.各墩柱的壓彎驗(yàn)算和抗剪驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表4.可見(jiàn),在E1地震作用下2、7、9、12、16、19號(hào)墩的壓彎承載力不足;2、7、9、12、19號(hào)墩的抗剪能力不足.5第二通道橋塑性鉸區(qū)的強(qiáng)度驗(yàn)算在E2地震作用下,結(jié)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入非線性工作范圍,因此只有進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性時(shí)程分析才能比較真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際反應(yīng).分析采用全聯(lián)模型以考慮各墩間的聯(lián)動(dòng)作用.這里僅考慮所受彎矩和剪力較大的固定墩及9、10號(hào)墩的塑性,所考慮的塑性鉸位置見(jiàn)圖3.塑性鉸的作用類(lèi)型選用軸力-彎矩(P-M)鉸,即考慮軸力對(duì)鉸彎曲屈服強(qiáng)度的影響,而不考慮兩個(gè)方向彎矩間的互相作用.塑性鉸的滯回模型采用Clough雙折線模型,認(rèn)為全截面處于開(kāi)裂狀態(tài),截面剛度僅由受拉鋼筋的受彎屈服狀態(tài)決定,同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)在非線性階段的剛度退化.屈服面采用Bresler建議的屈服面.非線性時(shí)程分析采用常加速度的Newmark法進(jìn)行直接積分.該橋在E2地震作用下的抗震重要性系數(shù)為1.3,采用Taft波作為時(shí)程函數(shù),峰值調(diào)整系數(shù)為1.67.在E2地震下,允許結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷,故不需要進(jìn)行橋墩的強(qiáng)度驗(yàn)算.橋墩塑性鉸區(qū)沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)能力的驗(yàn)算公式為θp≤θu(5)θu=Lp(?u-?y)/Κ(6)式中:θp為塑性鉸區(qū)轉(zhuǎn)角;θu為最大容許轉(zhuǎn)角;Lp為等效塑性鉸長(zhǎng)度;?u為極限破壞狀態(tài)曲率;?y為截面等效屈服曲率;K為延性安全系數(shù),取值為2.0.各固定墩塑性鉸截面的計(jì)算結(jié)果如表5所示.其中:在順橋向地震下的數(shù)據(jù)均為底部截面的數(shù)據(jù),在橫橋向地震下的數(shù)據(jù)均為上部截面(Ⅰ截面)的數(shù)據(jù);δθ為轉(zhuǎn)角延性系數(shù),指在地震過(guò)程中的最大轉(zhuǎn)角與該截面的第一屈服轉(zhuǎn)角的比值,大于1則表示截面已經(jīng)進(jìn)入塑性階段.由表5可知:在順橋向地震作用下,2、7、9、19號(hào)墩進(jìn)入了塑性狀態(tài);在橫橋向地震作用下,2、7、12、16、19號(hào)墩進(jìn)入了塑性狀態(tài).但所有塑性鉸的轉(zhuǎn)角均未超過(guò)計(jì)算所得的轉(zhuǎn)角限值,說(shuō)明該橋在E2地震作用下的變形是符合規(guī)范要求的.根據(jù)分析和計(jì)算的結(jié)果還可得知:在順橋向地震作用下,橋墩的底部截面最先進(jìn)入塑性狀態(tài);在橫橋向地震作用下,由于橫向系梁的作用,橋墩的上部截面(Ⅰ截面)最先進(jìn)入塑性狀態(tài).總的來(lái)說(shuō),19號(hào)墩左墩柱的底部塑性鉸在順橋向地震作用下的塑性發(fā)展程度最大,延性系數(shù)達(dá)到25.87.此外,分別用彈性分析和彈塑性分析兩種方法計(jì)算了橋梁在E2地震作用下的響應(yīng),其中19號(hào)墩左墩柱的墩底彎矩和墩頂位移的時(shí)程曲線對(duì)比如圖4所示.對(duì)比可知:考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性后,內(nèi)力響應(yīng)有所降低,而位移響應(yīng)變化不大.6橋墩抗剪設(shè)計(jì)1)百花大橋采用了雙柱式柔性墩,且梁、墩之間的連接剛性較小,這導(dǎo)致該橋的整體剛度較小,地震時(shí)各聯(lián)容易發(fā)生縱向側(cè)移和梁體的水平轉(zhuǎn)動(dòng).2)在E1地震作用下,多個(gè)墩柱的壓彎和抗剪承載力是不足的,其根本原因是縱筋和箍筋的嚴(yán)重配置不足,尤其是配箍率僅為0.06%左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足抗剪要求和延性要求.在E2地震作用下,該橋橋墩塑性鉸區(qū)的塑性變形是符合規(guī)范要求的.3)固定墩和承受較大質(zhì)量的9、10號(hào)墩產(chǎn)生了較大的彎矩和剪力響應(yīng).固定墩的左墩柱所產(chǎn)生的響應(yīng)遠(yuǎn)大于右墩柱,這是由于固定墩處支座設(shè)置的不合理和系梁布置的不當(dāng)造成的.固定支座僅設(shè)置在固定墩的左墩柱上,這樣就僅由左墩柱單獨(dú)承受巨大的水平力;而且該橋在墩柱頂部沒(méi)有布置系梁,使左右兩墩柱在頂部不能共同受力.這兩處設(shè)計(jì)缺陷直接導(dǎo)致了固定墩左墩柱的嚴(yán)重破壞.