山區(qū)公路高墩的抗震概念設(shè)計(jì)

山區(qū)公路高墩的抗震概念設(shè)計(jì)

0高墩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)隨著我國道路建設(shè)的發(fā)展，高碼頭日益增多，尤其是我國西南部、西北地區(qū)的高山道路和鐵路的建設(shè)。由于地形和地形條件，這些地區(qū)越來越多的高墩在這些地區(qū)被廣泛使用，墩高也越來越高。在山區(qū)道路建設(shè)中，由于地形復(fù)雜，山高坡陡，許多橋梁必須通過河谷和溝渠。這些橋梁采用直徑為20.50m的各種簡化支梁橋和連接2.7個(gè)跨橋。無論采用何種類型的連續(xù)結(jié)構(gòu)，碼頭高度通常都超過10米-100米。隨著高架建設(shè)的加快，高架建筑的應(yīng)用越來越多。國內(nèi)外缺乏高橋墩經(jīng)受高烈度地震的經(jīng)驗(yàn),故受震害后修復(fù)困難,這樣一來,會影響地震后生命線的暢通,給地震區(qū)帶來次生災(zāi)害.為避免高烈度地震高墩發(fā)生無法修復(fù)的破壞,就必須重視橋梁結(jié)構(gòu)的“概念設(shè)計(jì)”,從結(jié)構(gòu)選型開始就對高橋墩的抗震性能進(jìn)行考慮.合理的結(jié)構(gòu)形式和成功的抗震設(shè)計(jì)可以大大地減輕甚至避免震害的產(chǎn)生.1影響橋梁結(jié)構(gòu)體系的因素20世紀(jì)70年代以來,人們在總結(jié)大地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來說,“概念設(shè)計(jì)”比“計(jì)算設(shè)計(jì)”更為重要.抗震概念設(shè)計(jì)是基于震害經(jīng)驗(yàn)建立的抗震基本設(shè)計(jì)原則和思想,就是以工程概念為依據(jù)從有利于提高結(jié)構(gòu)抗震能力的概念上,用符合工程客觀規(guī)律和本質(zhì)的方法,對所設(shè)計(jì)的對象作宏觀的控制.作為抗震設(shè)計(jì),應(yīng)從概念設(shè)計(jì)著手.概念設(shè)計(jì)包括橋位的選擇、橋型方案的選擇、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)形式的選擇、結(jié)構(gòu)連接的選擇以及配筋方式的選擇等.橋梁結(jié)構(gòu)是否能夠滿足抗震設(shè)計(jì)的要求,結(jié)構(gòu)體系的選擇正確與否是關(guān)鍵所在.橋梁設(shè)計(jì)經(jīng)常受到很多非抗震因素的制約,如橋?qū)?、橋長、平豎曲線、跨數(shù)、幾何約束等會受到交通流量和地形地貌的限制,在抗震概念設(shè)計(jì)中有時(shí)候無法對這些因素進(jìn)行修正.而橋墩的型式的選擇卻是比較靈活的,橋墩的型式也是影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素之一.山區(qū)公路的特點(diǎn)是彎道多,平、豎曲線的半徑往往比較小,這就決定了山區(qū)橋梁的特點(diǎn).山區(qū)橋梁一般是變墩高的曲線橋,結(jié)構(gòu)極不規(guī)則.曲線橋梁的幾何形狀會影響其地震響應(yīng),在橫向地震作用下,即使獨(dú)柱橋墩,也會產(chǎn)生軸向力.而結(jié)構(gòu)的不規(guī)則,會使得橋梁受力更為復(fù)雜,這對于高墩的受力影響更大.在地震作用下,當(dāng)高墩與矮墩耦合時(shí),矮墩的地震力非常大,有可能會造成矮墩的提前破壞;而當(dāng)高墩與矮墩不耦合時(shí),則可能會導(dǎo)致高墩的地震位移過大,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的落梁或者支座脫位.因此,高墩的選型和設(shè)計(jì)對全橋在地震作用下的安全有著重要的意義.2高墩設(shè)計(jì)和參數(shù)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩一般用單枝或者雙枝雙薄壁墩,關(guān)于這些類型的橋墩的抗震問題,人們在對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋抗震問題進(jìn)行探討時(shí)作了大量的研究.本文所討論的是高烈度地震區(qū)梁橋高墩的選型和設(shè)計(jì)問題,因?yàn)榱簶蛟谖覈鴺蛄航ㄔO(shè)中占了90%以上的比例,在我國西南、西北地區(qū),由于地形和地貌的限制,梁橋的橋墩會非常高,墩高為50～100m的高墩非常多,而因?yàn)檫@些橋梁都是簡單的梁橋,這些高墩的抗震問題卻大量的被忽視了.事實(shí)上,這些高墩的設(shè)計(jì)和選型是值得研究的.在西南山區(qū),梁橋的墩高在30m以內(nèi)時(shí),往往雙圓柱墩用得比較多(圖1(a)),當(dāng)墩高比較高,超過30m以后,往往采用獨(dú)柱T型墩、空心薄壁墩、門架墩(門架墩與普通雙柱墩的區(qū)別是門架墩的墩柱橫向剛度大、蓋梁與墩柱固結(jié),而普通雙柱墩的墩柱橫向剛度小、蓋梁與墩柱按鉸接考慮)等橋墩型式,如圖1所示.這些橋墩型式都具有自身的特點(diǎn),在高烈度地震區(qū)的選用應(yīng)該慎重.獨(dú)柱T墩一般采用預(yù)應(yīng)力懸挑式蓋梁與剛度較大的墩柱相結(jié)合,在橋墩高度不大于60m時(shí)采用較多,其特點(diǎn)是截面挖空率比較小,截面橫向尺寸比較小,因此橫橋向截面剛度較小.空心薄壁墩往往在橋墩高度小于80m時(shí)采用,其型式與獨(dú)柱T墩從外觀上比較接近,但是截面橫橋向尺寸比較大,因此,橋墩橫向剛度較大.門架墩往往在橋墩高度不大于90m時(shí)采用,特殊情況下甚至其橋墩高度近100m,但是其橫向剛度有時(shí)候不夠大.3結(jié)構(gòu)動力分析某公路抗震設(shè)防烈度要求為9度,其中有些橋梁因跨越深谷,很多橋墩高40m以上.因此,有必要對該路段的橋墩進(jìn)行橋墩的選型和地震響應(yīng)分析,以保證其在運(yùn)營狀態(tài)和地震作用下的安全.本文選取該路線上的一座橋進(jìn)行動力分析和比較,以反映橋墩型式對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)的影響.3.1橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)選取多在地震作用下,橋梁由于地震力導(dǎo)致破壞的情況很少,大多數(shù)是由于橋梁剛度不夠而導(dǎo)致落梁,主梁落梁時(shí),就會將橋墩砸斷,從而導(dǎo)致相鄰跨的落梁,這樣,多跨橋梁就像多米諾骨牌一樣,會全部倒塌.另外,對于高等級公路來說,大部分橋梁是雙幅橋,如果橫向剛度比較差,地震來臨時(shí),會導(dǎo)致橫向兩幅橋梁之間發(fā)生碰撞破壞.因此,對于地震區(qū)的橋梁來說,其剛度必須滿足一定的要求才行.與其它山區(qū)橋梁一樣,本橋也是位于平曲線上,對于位于平曲線上的橋梁,在地震發(fā)生時(shí),橋墩的地震響應(yīng)為彎扭耦合震動,橋墩的截面型式要求具有較好的抗彎剛度和抗扭剛度,且抗彎剛度要求在各個(gè)方向都要滿足要求.普通雙柱墩橫向抗彎剛度較好,但是縱向抗彎剛度較差,且抗扭剛度更差.加之當(dāng)橋墩墩高達(dá)到一定高度以后,雙柱墩在彎矩、剪力、軸力的共同作用下,很容易發(fā)生墩柱的失穩(wěn)破壞,因此,在橋墩非常高時(shí),不建議采用.獨(dú)柱T墩和空心薄壁墩都具有各方向抗彎剛度都比較大、抗扭剛度大、整體性好等優(yōu)點(diǎn),在地震區(qū)橋梁的建設(shè)中,具有明顯的優(yōu)勢.門架墩的剛度比普通雙柱墩稍好,但是整體性稍微差一些,因?yàn)殡S著橋墩高度的增加,而橫向只是通過系梁將兩根門架柱聯(lián)系起來,系梁的間距又不可能太小,因此,橫向剛度和整體性就差了許多,特別是抗扭剛度是非常小的.因此,從初步選型來考慮,獨(dú)柱T墩和空心薄壁墩有一定的優(yōu)勢.但是,獨(dú)柱T墩相對于空心薄壁墩,其橫向尺寸要小得多,因此,其橫向剛度也小很多,在地震作用下,容易產(chǎn)生較大的橫向位移,從而導(dǎo)致橫向落梁的發(fā)生,如果是雙幅橋,則橫向兩幅橋之間可能發(fā)生碰撞,從而導(dǎo)致橋梁的破壞.因此,二者相比,空心薄壁墩具有優(yōu)勢.3.2橋墩的截面尺寸思茅—瀾滄江二級公路上某橋,位于半徑為90.797m的平曲線上,該橋剛好位于圓曲線段.橋梁上部結(jié)構(gòu)由5片主梁組成,橋?qū)?0.5m,縱向?yàn)闃蛎孢B續(xù)結(jié)構(gòu),4孔一聯(lián),共2聯(lián).下部結(jié)構(gòu)分別采用上述4種橋墩進(jìn)行分析,橋墩的尺寸先根據(jù)靜力計(jì)算來確定.采用雙柱墩時(shí),墩柱直徑采用1.6m;采用獨(dú)柱T墩時(shí),其橋墩為矩形空心截面,截面尺寸為順橋向墩頂外圍尺寸1.6m,從上往下以1∶80的坡度變化,如圖2(a)所示,橫橋向3.2m,壁厚為0.4m;采用空心薄壁墩時(shí),其順橋向尺寸與T墩相同,如圖2(b)所示,而橫橋向外圍尺寸為6m,壁厚為0.3m;采用門架式高墩時(shí),墩柱順橋向墩頂外圍尺寸1.4m,兩面斜坡度100∶1,空心段橫橋向兩側(cè)壁厚等厚25cm,順橋向壁厚隨高度增厚,如圖2(c)所示.計(jì)算采用全橋建模,其采用各種橋墩的有限元離散模型如圖3所示.3.2.1橫向振動比較采用各種不同的橋墩型式時(shí),橋梁的前3階自振特性頻率如表1.由表1的計(jì)算結(jié)果可以看出,所有橋墩型式的前三階振型都是橫向振動,所有其橫向剛度相對較小.事實(shí)上,由于縱向有幾個(gè)橋墩耦合作用,其縱向剛度往往是比較大的.另外,從表1中計(jì)算結(jié)果的比較可以看出,空心薄壁墩的剛度是最大的,其次是門架墩和獨(dú)柱T墩,剛度最差的是雙柱墩.3.2.2高墩和雙柱墩的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果根據(jù)場地土特性,計(jì)算中輸入地震波為el-centro,其加速度峰值為341.7gal,地震卓越周期0.55s.計(jì)算時(shí),根據(jù)規(guī)范要求進(jìn)行加速度調(diào)幅處理.地震波三向同時(shí)輸入,最高墩的主要計(jì)算結(jié)果列于表2,表中所列門架墩和普通雙柱墩的內(nèi)力是指一根墩柱的內(nèi)力.從表2的計(jì)算結(jié)果可以看出,在地震作用下,高墩的橫向位移相差較大,如果橫向位移過大,可能會導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)落梁;而對于雙幅橋,有可能因?yàn)橥晃恢脙蓚€(gè)橋墩相互碰撞而導(dǎo)致其破壞.所以,控制其設(shè)計(jì)的應(yīng)該是其橫向剛度.對于有些橋墩,如普通雙柱式墩,如果橫向位移過大,加之地震內(nèi)力也較大,會引起橋墩的失穩(wěn)破壞.另外,橋墩的扭矩不可忽視,所以要盡量采用截面抗扭剛度較大的橋墩型式.結(jié)合各種因素,因此該橋的高墩的型式最終選擇了空心薄壁墩.4高烈度區(qū)橋墩設(shè)計(jì)方案通過前面的分析、計(jì)算和比較,可以得到如下結(jié)論:(1)山區(qū)橋梁一般位于平曲線上,有些平曲線的半徑還比較小,而位于平曲線上的橋梁,其橋墩的地震響應(yīng)有明顯的彎扭耦合現(xiàn)象,因此,在地震區(qū),尤其是在高烈度地震區(qū),最好采用有抗扭剛度較大的橋墩形式.(2)當(dāng)橋墩比