大跨度連續(xù)梁橋地震響應(yīng)減隔震設(shè)計(jì)

大跨度連續(xù)梁橋地震響應(yīng)減隔震設(shè)計(jì)

0延性抗震設(shè)計(jì)目前的道路抗疲勞動(dòng)設(shè)計(jì)要求超過150m的特殊橋，需要在a1和b2地震的影響下進(jìn)行抗旱設(shè)計(jì)。其中,對于遭受重現(xiàn)期較短的E1地震作用時(shí),橋梁結(jié)構(gòu)不受損,保持在彈性范圍內(nèi),此時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為強(qiáng)度驗(yàn)算;當(dāng)結(jié)構(gòu)遭受重現(xiàn)期較長的E2地震荷載作用時(shí),橋梁允許發(fā)生輕微損傷,結(jié)構(gòu)進(jìn)入部分塑性階段,墩柱的抗彎承載不再用強(qiáng)度而是用變形來驗(yàn)算,即延性抗震設(shè)計(jì)方法。本文在對位于抗震設(shè)計(jì)烈度為8度,3類場地條件的某大跨連續(xù)梁橋(100+160+100)m進(jìn)行E1和E2地震荷載作用分析的基礎(chǔ)上,對大跨連續(xù)梁橋的減隔震和延性抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了總結(jié)和探討。1大跨連續(xù)梁橋減速帶的地震分析1.1滯回曲線分析在進(jìn)行本橋的減隔震裝置設(shè)計(jì)時(shí),綜合比較了粘滯阻尼器方案、速度鎖定器和彈塑性減隔震裝置后,最終采用了彈塑性減隔震裝置方案,即在固定墩處設(shè)置固定盆式支座和彈塑性阻尼器并聯(lián)使用的裝置;橋梁遭受地震力時(shí),當(dāng)?shù)卣鹆Υ笥诠潭ㄖё畲笏降挚沽r(shí),固定支座水平約束失效,轉(zhuǎn)為由彈塑性耗能裝置抵抗縱向水平地震力,并有效限制墩梁間的相對位移,見圖1。國內(nèi)外試驗(yàn)表明,彈塑性減震耗能裝置的滯回曲線均可以用雙線性模式來表示,見圖2,其特征參數(shù)為彈性剛度Ka、屈服力Fy及屈后剛度與彈性剛度比值r。當(dāng)位移較小時(shí),系統(tǒng)剛度為Ka;當(dāng)位移繼續(xù)增大,隨著位移進(jìn)一步增加,彈塑性耗能裝置水平力達(dá)到屈服力Fy時(shí),系統(tǒng)裝置屈服,此時(shí)系統(tǒng)剛度為彈塑性耗能裝置的屈后剛度rKa。因此合理的設(shè)計(jì)Ka和屈服力Fy以及比值r,可以使得裝置起到不同的減震效果,用圖2(a)滯回曲線來模擬彈塑性系統(tǒng)。另外考慮到其余墩處設(shè)置的滑動(dòng)盆式支座具有摩擦力,可以起到一部分耗能效果,滑動(dòng)摩擦支座用圖2(b)曲線來模擬,圖2中Fy為臨界摩擦力:Fy=f×Ν,(1)Κa=Fyus,(2)Fy=f×N,(1)Ka=Fyus,(2)式中,f為摩擦系數(shù),取0.02;N為支座的豎向反力;us為滑動(dòng)支座的屈服位移,取0.003m;Ka為滑動(dòng)支座的初始剛度。在SAP2000里,彈塑性減震耗能裝置和滑動(dòng)摩擦支座均采用wen彈塑性連接單元來模擬。1.2梁的結(jié)構(gòu)與地震波分析現(xiàn)對某工程大跨連續(xù)梁橋進(jìn)行上述地震分析,限于篇幅,本文僅給出縱向地震的分析,橫向地震分析方法與縱向分析相同。該橋?yàn)?100+160+100)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋,橋?qū)挒?7.25m,采用直腹板單箱單室截面,主跨支點(diǎn)處梁高9.5m,跨中梁高3.5m,梁底按1.8次拋物線變化。對橋梁進(jìn)行50a超越概率分別為10%(相當(dāng)于E1荷載)和2%(相當(dāng)于E2荷載)地震分析。加速度時(shí)程曲線(見圖3、4)均由地震部門給出,其中50a2%和10%超越概率地震加速度時(shí)程曲線均分別提供了3條,限于篇幅,均只給出1條樣本曲線,下面分析圖3和圖4所示的地震波對結(jié)構(gòu)的作用。采用SAP2000對橋梁進(jìn)行空間桿系單元建模,墩柱通過承臺(tái)與各樁之間均采用剛性約束連接;樁土之間考慮水平相互作用,樁土之間土彈簧剛度由M法求解。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型見圖5,圖5中25#墩為固定墩。1.3墩底水平位移隨埋深變化的規(guī)律在采用彈塑性系統(tǒng)裝置時(shí),通過調(diào)整屈服力和后屈曲剛度比(屈服后剛度與彈性剛度之比)對結(jié)構(gòu)抗震的影響,來尋求一個(gè)最佳的屈服力和后屈曲剛度比,見表1。調(diào)高屈服力和后屈曲剛度比,墩底的水平力和彎矩均隨之增加,相應(yīng)地,墩底水平位移則減小。通過試算比較發(fā)現(xiàn),彈塑性系統(tǒng)裝置采用屈服力為16000kN,后屈曲剛度比為0時(shí),墩底水平剪力和彎矩均處于一個(gè)較好的狀態(tài),同時(shí)墩頂水平位移在E1和E2地震水平荷載作用下縱向位移分別為8.3、25cm,邊墩因?yàn)槎罩^柔以及墩梁之間較弱的聯(lián)系的原因,縱向位移要大于固定墩,分別為15.1、39.2cm。在計(jì)算中也考慮滑動(dòng)盆式的摩擦力對固定墩的減震效應(yīng),考慮滑動(dòng)支座的摩擦力時(shí),在E1地震荷載作用下,固定墩墩底水平剪力和彎矩比不考慮支座摩擦力時(shí)分別減小了7%、14%;E2地震荷載下,上述減震效應(yīng)分別減少了2%、10%。2結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則表1結(jié)果顯示,在E2荷載下,當(dāng)連接單元后屈曲剛度比為0.2,屈服力為16000kN時(shí),墩底截面進(jìn)入塑性階段,并且超過極限彎矩,這時(shí)用強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則,必然需要增加截面或者鋼筋,會(huì)造成浪費(fèi)和不經(jīng)濟(jì)。本節(jié)將以上述參數(shù)的連接單元為計(jì)算模型,進(jìn)行橋墩延性設(shè)計(jì)分析,并探討不同因素對結(jié)構(gòu)延性以及受力的影響。強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則是應(yīng)用最廣的傳統(tǒng)的破壞準(zhǔn)則,不管是基于容許應(yīng)力法還是基于承載能力極限狀態(tài)法的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),都需要應(yīng)用這個(gè)準(zhǔn)則。但研究者在實(shí)際地震中觀察到,強(qiáng)度不足不一定總是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌,甚至不一定嚴(yán)重破壞;實(shí)際上,只要結(jié)構(gòu)的初始強(qiáng)度能夠基本維持,不出現(xiàn)因非彈性變形的加劇而導(dǎo)致強(qiáng)度的過度下降(文獻(xiàn)規(guī)定構(gòu)件在經(jīng)歷反復(fù)彈塑形變形循環(huán)時(shí),抗力下降不超過初始抗力的20%),那么結(jié)構(gòu)就能在地震中幸存,而且震后通常只需要花少量的費(fèi)用即可修復(fù)。延性抗震設(shè)計(jì)方法基于上述思想,采用變形破壞準(zhǔn)則,即規(guī)定一個(gè)容許的最大變形為破壞界限值,并要求結(jié)構(gòu)的最大位移反應(yīng)不超過這個(gè)限值。該破壞準(zhǔn)則的形式如下:θp≤θu。(3)θp≤θu。(3)從變形的角度看,地震造成結(jié)構(gòu)破壞的原因不外乎兩類:(1)地震動(dòng)激起的結(jié)構(gòu)位移超過結(jié)構(gòu)的變形能力,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度急劇下降并很快倒塌;(2)地震動(dòng)激起結(jié)構(gòu)反復(fù)彈塑形變形循環(huán),結(jié)構(gòu)因損傷累積和低周疲勞效應(yīng)而破壞。應(yīng)當(dāng)指出,如果延性結(jié)構(gòu)按照上式所示的變形破壞準(zhǔn)則進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的,則上述兩類破壞情況在預(yù)期的地震動(dòng)下都不可能發(fā)生。2.1有橫向扭筋約束的混凝土如前所述,結(jié)構(gòu)在偶遇地震E2作用下,結(jié)構(gòu)允許發(fā)生部分破壞,但經(jīng)過表面修復(fù)后,仍然可以達(dá)到正常使用的臨界狀態(tài)。在此狀態(tài)下,保護(hù)層混凝土可以發(fā)生嚴(yán)重剝落,但不允許發(fā)生橫向約束鋼筋的斷裂和縱向鋼筋的壓潰屈曲,核心混凝土要保持完整?？梢哉f,橫向鋼筋開始發(fā)生斷裂是橋梁墩柱可修復(fù)與否的臨界條件。對于有橫向箍筋約束的混凝土,其混凝土極限壓應(yīng)變?chǔ)與u可以達(dá)到0.012～0.05之間,為無約束混凝土極限壓應(yīng)變設(shè)計(jì)值0.003的4～16倍,這樣可以充分利用鋼筋較大的屈服應(yīng)變,使得結(jié)構(gòu)有較大的塑性轉(zhuǎn)動(dòng),從而達(dá)到結(jié)構(gòu)耗能的目的。文獻(xiàn)和均規(guī)定:εcu=0.004+1.4ρsfyhεsuf′cc?(4)εcu=0.004+1.4ρsfyhεsuf′cc?(4)式中,ρs為約束鋼筋的體積含筋率;fyh為箍筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;εsu在文獻(xiàn)為約束鋼筋的折減極限應(yīng)變,取0.09;在文獻(xiàn)取0.75倍箍筋最大拉應(yīng)變,約為0.18(針對RB235鋼筋);f′cc為約束混凝土的峰值應(yīng)力。采用式(4)求得的極限壓應(yīng)變,對塑性鉸截面進(jìn)行恒定軸力下的M-φ分析(見圖6),進(jìn)一步求得該截面的極限塑性轉(zhuǎn)角θu,當(dāng)通過非線性時(shí)程分析計(jì)算求得的塑性轉(zhuǎn)角θp≤θu即滿足要求。2.2動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析研究表明,軸向壓力和配箍率對鋼筋混凝土墩柱的延性有較大的影響。考慮到本橋跨徑較大,且位于高強(qiáng)震區(qū),在墩柱設(shè)計(jì)中,計(jì)算分析了如表2所示的7種墩柱模型,詳細(xì)考慮了不同軸壓比、配箍率和縱向主筋的配筋率對結(jié)構(gòu)抗震延性能力的影響,以期選出最佳墩柱配筋方案。上述工況中,截面尺寸均相同,僅通過改變鋼筋間距和恒載重力大小來改變配筋率和軸壓比。圖7為1#工況的墩柱配筋方案。在分析計(jì)算中,核心混凝土采用考慮約束混凝土(Mander)模型,鋼筋采用考慮Park本構(gòu)模型,在墩底設(shè)置非彈性鉸。非彈性鉸的屬性是根據(jù)恒載作用(從上部結(jié)構(gòu)計(jì)算提取恒載豎向反力,1#墩柱模型為98023kN)下的彎矩-曲率特性來賦予的。對上述7種工況進(jìn)行pushover分析,得到結(jié)果如表3所示。含箍率(1#～3#墩柱模型)的增加可以明顯使結(jié)構(gòu)延性系數(shù)增加。當(dāng)含箍率由0.32%升至1.28%,曲率和位移延性系數(shù)分別升至12.67和22.65。根據(jù)mander模型,配箍率的下降會(huì)使約束混凝土極限壓應(yīng)變減小,而對普通鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本沒有影響,因此,相對于配箍率較低的截面,混凝土更容易壓碎(達(dá)到極限壓應(yīng)變)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。配箍率的變化對結(jié)構(gòu)的屈服力和最大抗力影響較小。軸壓比(4#～6#墩柱模型,保持截面不變,僅通過改變軸力)的增加可以明顯使結(jié)構(gòu)延性系數(shù)降低。當(dāng)軸壓比由8.6%增加至35%時(shí),曲率和位移延性系數(shù)分別降至21.10和9.13。軸壓比的增加雖然會(huì)推遲鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)變,從而提高結(jié)構(gòu)的屈服力,但同時(shí)也會(huì)使混凝土的壓應(yīng)變提早達(dá)到混凝土的極限壓縮應(yīng)變,從而降低結(jié)構(gòu)的極限承載力,結(jié)構(gòu)的延性系數(shù)也因此大大減小。縱向鋼筋配筋率(1#和7#模型)的降低,結(jié)構(gòu)的屈服和極限曲率均有所減小,但延性系數(shù)并未減小,甚至?xí)兴黾?。鋼筋配筋率的降?結(jié)構(gòu)的屈服力減小,并且鋼筋很快達(dá)到極限應(yīng)變至結(jié)構(gòu)破壞,7#模型屈服力和最大抗力較1#模型分別減小23.5%、32.3%。表4為不同墩柱模型下非線性動(dòng)力時(shí)程結(jié)果。當(dāng)考慮塑性鉸時(shí),由于約束混凝土的延性和強(qiáng)度增加,其墩底彎矩較不考慮塑性鉸模型減小30%,塑性轉(zhuǎn)角為0.0048弧度,小于容許極限塑性轉(zhuǎn)角0.0262弧度,結(jié)構(gòu)安全。配箍率由1.28%(1#墩柱)降低至0.32%(3#墩柱),墩柱的延性減弱,墩底的彎矩增加11.3%。配箍率越高,墩底塑性轉(zhuǎn)角會(huì)有所增加,但極限塑性轉(zhuǎn)角增加幅度更大,塑性轉(zhuǎn)角與極限塑性轉(zhuǎn)角比越小,表明結(jié)構(gòu)更加安全。通過增加豎向軸力來提高軸壓比,結(jié)構(gòu)(4#墩柱)受力變得有利。首先軸向壓力的作用,鋼筋屈服點(diǎn)推遲了,提高了墩柱屈服彎矩。軸壓比增加雖然降低了墩柱底面極限塑性轉(zhuǎn)角,但同時(shí)也降低了墩柱的塑性轉(zhuǎn)角。3小彈塑性裝置裝置屈曲設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)(1)分析表明,隨著彈塑性減震裝置的屈服力和后屈曲剛度比的增加,固定墩墩底水平力和彎矩隨之增加,墩梁之間位移隨之減小。屈曲力的增加對固定墩底的內(nèi)力增加明顯,而對減小墩梁之間位移有限。因此,當(dāng)進(jìn)行減隔震裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)在保證其滿足使用荷載要求的同時(shí),盡量減小彈塑性系統(tǒng)裝置的屈曲力,必要時(shí)可以調(diào)整后屈曲剛度。(2)滑動(dòng)盆式支座的摩擦力對結(jié)構(gòu)的減震有一定效果,但是作用有限。(3)對墩柱進(jìn)行延性設(shè)計(jì),可以通過墩柱延性變形耗能有效降低墩底彎矩,同時(shí)讓墩底的塑性轉(zhuǎn)角小于極限塑性轉(zhuǎn)角,保證設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)。(4)配箍率的增加會(huì)明顯增加墩柱的延性。在地震作用下,配箍率越高,墩底截面的塑性轉(zhuǎn)角增加,