嘉閔高架橋抗震體系選型研究

嘉閔高架橋抗震體系選型研究

1減、隔震體系與延性體系的經(jīng)濟(jì)性比較據(jù)川地震介紹，中國在總結(jié)多年理論和實踐研究成果的基礎(chǔ)上，制定了《道路橋梁防護(hù)設(shè)計規(guī)則》和《城市橋梁防護(hù)設(shè)計規(guī)范》。新規(guī)范除了進(jìn)一步完善結(jié)構(gòu)延性設(shè)計以外,還首次系統(tǒng)引入了減、隔震設(shè)計的有關(guān)內(nèi)容。事實上,現(xiàn)代結(jié)構(gòu)減、隔震技術(shù)誕生于20世紀(jì)50年代,已在新西蘭、美國、日本以及歐洲等得到了非常廣泛的應(yīng)用,許多經(jīng)歷了實震檢驗的減、隔震橋梁也都表現(xiàn)出了非常優(yōu)越的抗震性能[4~6]。相比之下,我國減、隔震在實際工程中的應(yīng)用十分有限。新規(guī)范頒布之后,盡管相關(guān)的減、隔震應(yīng)用案例逐漸增多,如映汶公路重建項目等,但從總體上看,工程應(yīng)用的比重還遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家。自20世紀(jì)中期以來,關(guān)于延性體系和減、隔震體系對結(jié)構(gòu)性能方面的影響,已進(jìn)行了大量的相關(guān)研究[7~9],但從經(jīng)濟(jì)性的角度,對這2種體系對比研究則相對較少。Mitoulis等研究了墩(臺)梁支撐連接方式對多跨連續(xù)梁橋的經(jīng)濟(jì)性影響,其中考慮了墩(臺)梁固結(jié)、支座隔震以及部分固結(jié)部分隔震的混合模式,結(jié)果表明混合模式的綜合經(jīng)濟(jì)性最好。李建中等針對我國某城市快速路高架橋進(jìn)行了延性抗震體系和減、隔震體系的經(jīng)濟(jì)性比較,結(jié)果表明采用減、隔震體系具有更優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)前,我國城市化進(jìn)程飛速發(fā)展,城市高架交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)需求非常大,這些高架交通網(wǎng)絡(luò)除了承擔(dān)日常的交通運輸外,在地震時還應(yīng)承擔(dān)搶險救災(zāi)、人員和物資運輸以及災(zāi)后重建等多重任務(wù),其抗震性能對整個城市的防震救災(zāi)能力具有非常重要的意義。由此可見,減、隔震技術(shù)在我國的工程應(yīng)用具有非常廣闊的前景。但由于缺乏相關(guān)工程應(yīng)用經(jīng)驗積累,其推廣應(yīng)用還受到很大的限制。因此,有必要將傳統(tǒng)的延性抗震體系與減、隔震體系進(jìn)行深入、系統(tǒng)的對比和優(yōu)化,尤其是在經(jīng)濟(jì)性方面,為工程師在結(jié)構(gòu)設(shè)計中合理選擇結(jié)構(gòu)抗震體系提供更全面的參考依據(jù)。本文以上海嘉閔高架橋為依托,進(jìn)行了系列標(biāo)準(zhǔn)跨橋梁的地震反應(yīng)分析,包括延性抗震與減、隔震2種體系,通過參數(shù)分析和優(yōu)化,對比了2種體系下的結(jié)構(gòu)抗震性能,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對2種抗震體系的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對比分析。2動力分析模型上海嘉閔高架路(北翟路至G2段)全長3.29km,主線標(biāo)準(zhǔn)橋為3×30m簡支、橋面連續(xù)小箱梁橋,橋?qū)?4.5m(圖1)。下部結(jié)構(gòu)為雙柱墩,倒T形蓋梁,高度3.55m,全線立柱高度范圍(不含蓋梁高度)為2~25m。場地類別為四類軟土場地,整體穩(wěn)定性較好,可不考慮軟土震陷影響?；A(chǔ)采用直徑0.8m的鉆孔灌注樁基礎(chǔ),樁長40m。地震設(shè)防烈度7度,設(shè)計基本加速度為0.1g,場地系數(shù)1.4,特征周期0.65s。地震波輸入包括3條根據(jù)目標(biāo)譜擬合的人工波和4條實震記錄。盡管全線的墩高變化幅度較大(2~25m),但由于橋址場地較為平坦,相鄰聯(lián)墩高差異不大,因此各聯(lián)橋均為規(guī)則橋,全線標(biāo)準(zhǔn)橋可以離散為一系列具有不同墩高的等墩高連續(xù)梁橋。根據(jù)這一特點,選取一聯(lián)典型標(biāo)準(zhǔn)橋建立結(jié)構(gòu)三維有限元動力分析模型。主梁、墩均采用空間梁單元模擬,二期恒載模擬為附加分布質(zhì)量,承臺模擬為質(zhì)點,樁基采用等效土彈簧模擬樁土相互作用。延性設(shè)計體系采用普通盆式支座、主從約束模擬;減、隔震體系采用鉛芯橡膠支座J4Q520×520,采用雙線性本構(gòu)關(guān)系。10m墩高工況的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)梁橋有限元模型如圖2所示,為考慮相鄰聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的動力相互作用,分別在左右側(cè)增加了一聯(lián)相同墩高和跨徑布置的邊界聯(lián)。對于其他墩高工況,可以通過改變模型中墩柱的長度來實現(xiàn)。3結(jié)構(gòu)抗護(hù)體系的參數(shù)分析3.1墩柱延性能力延性抗震體系共考慮了4種墩柱截面形式:2.0m×1.2m、2.0m×1.5m、2.0m×1.8m、2.4m×1.8m(縱向×橫向),分別記為截面A、B、C、D。其恒載軸壓比范圍:0.12~0.24,涵蓋了常用的墩柱尺寸范圍;減、隔震體系墩柱僅考慮B和D兩種截面。按1.2%的縱向截面配筋率,計算各墩柱能力需求比,其中橫向地震輸入下考慮了地震軸力對墩柱截面承載能力的影響,結(jié)果如圖3所示。圖中各系列曲線的含義為:抗震體系(D-延性,I-減、隔震)-地震作用(E1、E2)-墩柱截面(A、B、C和D)。從圖3可以看出,延性抗震體系各墩柱均滿足E1地震作用下的強度需求,且安全余度較大,但在E2地震作用下,絕大多數(shù)均進(jìn)入延性。這表明常規(guī)的墩柱設(shè)計較容易滿足E1地震要求,但在E2地震下一般會屈服,因此延性抗震體系應(yīng)特別注意墩柱延性能力的設(shè)計。減、隔震體系由于要求主體結(jié)構(gòu)基本保持彈性,因此墩高10m以下可采用B截面,10m以上則需采用D截面。3.2高墩基礎(chǔ)承載能力不同抗震體系承臺底地震響應(yīng)如圖4所示,從圖4可以看出,延性抗震體系由于受能力保護(hù)控制,橫橋向的地震需求要明顯大于順橋向,但隨墩高的增加,橫橋向地震需求逐漸下降,順橋向則基本不變。對于減、隔震體系,縱、橫向地震響應(yīng)比較接近,且都隨墩高的增加而增加。對比2種體系可以看出,減、隔震體系對矮墩區(qū)的基礎(chǔ)地震響應(yīng)有明顯優(yōu)勢,但這種優(yōu)勢隨墩高的增加而逐漸減弱。提高基礎(chǔ)的承載能力除增加樁數(shù)以外,還可以通過增加配筋來實現(xiàn)。圖5所示為基礎(chǔ)承臺底的承載能力對比,從圖5(a)可以看出,當(dāng)樁基配筋率較低時,配筋率每增加0.5%,承載能力可提高20%~25%。但需要注意的是,高墩區(qū)基礎(chǔ)的承載能力轉(zhuǎn)由單樁最大承載力控制,此時增加配筋則不能持續(xù)提高承載力。此外,不同樁基布置方案(圖6)也會對其承載力產(chǎn)生明顯的影響,如圖5(b)中P16-1方案的橫向承載力要明顯大于縱向的,而P16-2方案的則在2個方向上基本相當(dāng)。將其與基礎(chǔ)的地震需求相匹配,顯然P16-1方案更適用于對橫向承載能力要求更高的延性抗震方案,而P16-2方案則更適用于兩方向需求相當(dāng)?shù)臏p、隔震方案。對比圖4和圖6,按最小能力配置給出各工況下的基礎(chǔ)設(shè)計方案,如表1所示。延性方案的基礎(chǔ)工程受立柱截面和高度影響明顯,當(dāng)立柱截面較大或高度較低時,所需要的基礎(chǔ)規(guī)模越大。而對于減、隔震體系,基礎(chǔ)受這些因素影響較小,可以統(tǒng)一地采用P16-2方案。3.3無附加限位措施的混凝土擋塊延性抗震體系的支座連接部分應(yīng)按能力保護(hù)進(jìn)行設(shè)計,因此當(dāng)墩柱截面尺寸較大或墩高較矮時,連接部分的地震響應(yīng)就很大,如圖7所示。通常情況下,抗震型的盆式橡膠支座在約束方向上的水平承載能力為豎向承載力的20%。即使全部支座均具有橫向約束,單個墩位處的支座抗剪能力總和仍不超過4800kN,顯然需要附加的限位措施。鋼筋混凝土擋塊是最常見的抗震限位措施,但相關(guān)研究表明,其承載能力有限(Priestley1996),難以承擔(dān)較大的剪力需求。對于減、隔震體系,根據(jù)非線性時程分析結(jié)果,所有工況下的支座側(cè)向地震位移均不超過±60mm?？紤]正常使用荷載下因混凝土收縮徐變、溫度以及車輛制動力等的變形需求±35mm,采用J4Q520×520型鉛芯橡膠減隔震支座,橡膠層總厚度為66mm,支座極限變形可達(dá)±165mm(按250%極限剪應(yīng)變計),可滿足支座變形驗算要求。4結(jié)構(gòu)抗震體系造價較高圖8所示為不同結(jié)構(gòu)抗震體系的工程造價對比,其中價格曲線的突變主要是由于樁基數(shù)量或配筋率的不連續(xù)變化引起的。從圖8可以看出,延性抗震體系的工程造價受墩柱截面影響較大,采用截面D要比采用截面A的下部結(jié)構(gòu)工程造價平均高出20%~40%。這主要是墩身強度對基礎(chǔ)工程的影響所致,較大的墩身強度導(dǎo)致較大的基礎(chǔ)地震需求,而樁基在總體工程造價中的比重又較大,約占工程總造價的20%(圖9),因此樁基部分工程造價的增加會明顯增加工程總造價。由此可見,適當(dāng)優(yōu)化墩柱截面強度,控制樁基用量,可顯著減小延性抗震體系工程造價。此外,圖8也顯示,矮墩區(qū)延性抗震體系的工程造價要明顯高于采用相同截面的中、高墩區(qū),同樣這也是由于矮墩對基礎(chǔ)的地震需求較大所致。這表明:矮墩區(qū)采用延性抗震體系并不具有經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。對于減、隔震體系,可以看出其工程造價隨墩高近似呈線性增長趨勢。與延性抗震體系相比,其在矮墩區(qū)的價格優(yōu)勢十分明顯。盡管鉛芯橡膠支座的單價約為相同噸位盆式橡膠支座的2.6倍,但其在結(jié)構(gòu)總體造價中的比重僅為2.5%,而1根長40m、直徑800mm、配筋率2.0%的單樁造價約合4.38萬元,相當(dāng)于5.3個鉛芯橡膠支座的價格;同樣,將樁基配筋率下調(diào)為1.5%,16根樁的基礎(chǔ)則可節(jié)約5.40萬元,相當(dāng)于6.5個鉛芯橡膠支座的價格。可見,減、隔震體系對基礎(chǔ)部分的造價節(jié)約可以有效彌補減、隔震支座的費用增幅。但隨著墩高的增加,延性抗震體系對基礎(chǔ)的抗震需求也逐漸降低,減、隔震體系的優(yōu)勢也隨之減弱,如圖8所示,在中、高墩區(qū),減、隔震體系的總體造價逐漸逼近,甚至反超延性抗震體系的造價。表2所示為最終的結(jié)構(gòu)抗震體系建議方案,對墩柱和基礎(chǔ)的設(shè)計參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)一,最大程度地簡化了施工要求。其經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果也列于圖8中,可以看出,該方案很好地融合了減、隔震體系和延性體系的優(yōu)勢。5經(jīng)濟(jì)性對比研究本文基于我國兩水準(zhǔn)設(shè)防的新規(guī)范體系,對城市高架橋的結(jié)構(gòu)抗震體系優(yōu)化展開研究。以上海嘉閔高架橋為研究對象,分別分析了延性抗震體系與減、隔震體系的地震響應(yīng)規(guī)律,并基于構(gòu)件地震需求與能力合理匹配,進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計參數(shù)優(yōu)化。在此基礎(chǔ)上,對2種抗震體系進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比研究,劃分了2種體系的合理應(yīng)用范圍,并給出最終建議設(shè)計方案。主要研究結(jié)論如下:(1)高架橋采用延性抗震體系較容易滿足E1地震下的強度需要,但在E2地震作用下,墩柱一般會進(jìn)入屈服,受能力保護(hù)設(shè)計原則的影響,基礎(chǔ)部分的地震需求受墩柱截面強度和墩高的控制非常明顯,合理設(shè)置墩柱的強度