高烈度區(qū)某連續(xù)橋面抗震設(shè)計研究

高烈度區(qū)某連續(xù)橋面抗震設(shè)計研究

1減隔震技術(shù)現(xiàn)狀高烈度地震區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是地震的推動下的力和位移控制。傳統(tǒng)的工程抗震設(shè)計方法是使結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和延性以滿足抗震設(shè)防目標(biāo),但這種方法主要還是一種以強(qiáng)制強(qiáng)的設(shè)計方法,增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面可增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力,但同時又會增加結(jié)構(gòu)的剛度,加大結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。高烈度地區(qū)橋梁如果采用常規(guī)抗震結(jié)構(gòu)體系將付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價,甚至無法滿足抗震設(shè)防的要求,因此需采取基于振動控制理論的減隔震技術(shù),從根本上降低結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。目前國內(nèi)外針對以降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)為目的的減隔震技術(shù)研究較多,其中不少減隔震技術(shù)能適應(yīng)橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并已在實(shí)際工程中得到成功應(yīng)用。本文以某16跨裝配式連續(xù)板橋?yàn)槔?對分別采用提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和延性與結(jié)構(gòu)被動控制2種抗震措施的高烈度地區(qū)板式橋梁的抗震性能進(jìn)行分析,研究板式橋梁的最優(yōu)抗震設(shè)計方案。2地面下塔橋結(jié)合式橋墩高烈度地區(qū)某16跨裝配式連續(xù)板橋,20m一跨,4跨一聯(lián),橋梁全長范圍內(nèi)設(shè)置3條伸縮縫,分別位于4,8,12號橋墩對應(yīng)的主梁位置。每幅橋?qū)?3.7m,由13塊1m寬預(yù)應(yīng)力空心板拼接而成,C50混凝土,整澆鋪裝層;雙柱式橋墩(圖1),C30混凝土,墩柱直徑均為1.3m,高度及樁長見表1;柱式樁基礎(chǔ),C25混凝土;系梁、蓋梁采用C30混凝土。橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為8.5度,場地土為Ⅲ類,安評報告提供的50年超越概率10%的地表地震動加速度值為318cm/s2,特征周期0.68s。分析時考慮2種地震動方向組合:①縱向+豎向;②橫向+豎向。豎向地震加速度峰值取水平方向的2/3。3橋梁空間桿系模型采用SAP2000非線性有限元軟件對橋梁進(jìn)行動力特性及非線性時程反應(yīng)分析。建立橋梁空間桿系模型時,主梁、橋墩、橋臺均用梁單元模擬,橋面系的豎向、橫向撓曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和平動質(zhì)量、轉(zhuǎn)動質(zhì)量都集中在中間節(jié)點(diǎn)上,考慮支座的空間作用及樁土相互作用,力求使所建立的計算模型能如實(shí)地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、材料特性以及邊界連接條件。3.1種墩柱結(jié)構(gòu)抗震性能分析本裝配式連續(xù)板橋采用雙柱式橋墩,墩高4~8m,采用板式橡膠支座,邊墩設(shè)置52個GYZF200×42單向滑板支座(縱向滑動,橫向約束),除邊墩外每個橋墩上設(shè)置52個GYZ200×42支座。墩柱是板式橋梁最主要的抗震構(gòu)件,其結(jié)構(gòu)形式直接影響到橋梁的抗震性能,本文選擇3種墩柱形式進(jìn)行抗震分析研究:雙柱底無系梁連接(工況1);所有的雙柱底部設(shè)系梁連接(工況2);只在墩高較高的3號、10號橋墩雙柱底部用系梁連接(工況3)。計算3種墩柱形式下橋墩最大內(nèi)力與橡膠支座的變形,部分計算結(jié)果見表2。經(jīng)過計算分析,3種工況下,墩柱和基礎(chǔ)的承載力遠(yuǎn)不能滿足抗震要求,板式橡膠支座的變形也大大超過規(guī)范要求。雙柱式橋墩底部有無系梁連接,對縱橋向的剛度沒有影響,由于橋梁上部質(zhì)量基本不變,因此,在縱向與豎向地震共同作用下,3種墩柱形式的最大內(nèi)力相差無幾;但是否增設(shè)墩底系梁對橋梁的橫向剛度影響較大,增設(shè)墩底系梁,橋梁的橫向整體剛度增加,結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗震能力得到提高,但同時地震反應(yīng)也會相應(yīng)增加,使支座位移增加,具體到單個墩柱的內(nèi)力上,增加墩底系梁不一定就能降低最大內(nèi)力,因此,需對系梁的設(shè)置位置、數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化分析,尋求最優(yōu)的布置方案,經(jīng)過對比分析,對墩柱最有利的系梁布置方案為工況3。3.2改圓墩為區(qū)別墩滿足抗震要求,繼而對增加墩柱截面剛度提高結(jié)構(gòu)抗震能力的措施進(jìn)行研究,考慮2種方案:將橋墩直徑增加為1.4m(工況4),其他同工況3;將工況3中的圓形橋墩改為邊長為1.3m的正方形橋墩(工況5)。部分計算結(jié)果見表2。表中數(shù)據(jù)說明,加大橋墩的直徑或改圓墩為方形墩,雖然增加了墩柱的截面承載力,但同時也增大了橋梁的剛度,降低了橋梁的自振周期,使得橋墩最大內(nèi)力增大,其中改變截面形式產(chǎn)生的影響比單純增加橋墩直徑要大。按墩柱新截面進(jìn)行承載力和支座位移抗震驗(yàn)算,仍不能滿足抗震要求。4減隔地震設(shè)計研究4.1板式橡膠合成無砂混凝土自振特性目前國內(nèi)外土木工程中應(yīng)用較多的隔震元件有疊層橡膠支座、滑動支座,前者在建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多,后者一般應(yīng)用于大型橋梁。疊層橡膠支座與橋梁中常用的板式橡膠支座構(gòu)造相似,均由薄鋼板與橡膠片交錯疊合而成,但用于隔震的疊層橡膠支座的水平剛度要比同等豎向承載力的板式橡膠支座小得多(表3),其可延長結(jié)構(gòu)的自振周期,降低結(jié)構(gòu)在地震作用下的內(nèi)力,同時具有更大的位移能力,滿足地震對支座的大位移要求。根據(jù)國內(nèi)隔震支座的產(chǎn)品類型,將工況3中的板式橡膠支座分別用橡膠剪切模量為0.392MPa(工況6)和0.55MPa(工況7)2種隔震支座(RB200)替代,進(jìn)行對比分析,部分計算結(jié)果見表4。上述3種支座(工況3、工況6、工況7)中,板式橡膠支座剛度最大,橡膠剪切模量0.392MPa的隔震橡膠支座剛度最小,支座剛度的大小直接影響結(jié)構(gòu)自振周期;支座剛度越小,墩柱的內(nèi)力越小,但結(jié)構(gòu)及支座的位移越大,采用隔振支座后,墩的內(nèi)力降低了30%左右(工況6),說明隔震支座的隔震效果非常顯著。但是,隔震后墩柱的內(nèi)力仍不能滿足承載能力要求,隔震支座變形也超過了要求的最大值。4.2鉛芯橡膠支柱采取隔震措施后,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力會明顯降低,但結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)也同時增加。增加結(jié)構(gòu)的耗能能力,結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)能得到明顯的抑制,也可使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)一步降低。針對上述各種設(shè)計方案均不能滿足橋墩承載能力或支座變形的需求,需增加耗能措施進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。常用的耗能裝置有粘滯阻尼器、鋼阻尼器、鉛芯橡膠支座、摩擦支座等,板式橋梁由于構(gòu)件多、整體性差、空間小等,一般的耗能裝置難以發(fā)揮作用,鉛芯橡膠支座是在疊層橡膠支座中部加灌鉛芯而成,地震作用下鉛棒屈服耗能,是隔震與耗能一體化元件,構(gòu)造簡單,不需附加其他連接構(gòu)件,可滿足板式橋梁的實(shí)施要求?，F(xiàn)用橡膠剪切模量0.392MPa的鉛芯橡膠支座(LRB200,工況8)代替工況6中的隔震支座(RB200),經(jīng)過計算分析,橋墩和樁基礎(chǔ)的內(nèi)力都能滿足承載能力要求,鉛芯橡膠支座變形也滿足規(guī)范要求,部分計算結(jié)果見表4。鉛芯橡膠支座中的鉛芯提供了地震作用下的耗能能力和靜力荷載下所必須的屈服強(qiáng)度和剛度,在較低水平力作用下,因具有較高的初始剛度,其變形很小,在地震作用下,由于鉛芯的屈服,一方面耗散地震能量,另一方面,支座剛度降低,達(dá)到延長結(jié)構(gòu)振動周期的目的。表4分析結(jié)果表明鉛芯橡膠支座有效地降低了結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),與單純的隔震結(jié)構(gòu)(工況6)相比,墩的內(nèi)力降低了60%左右,支座位移降低了70%左右,鉛芯設(shè)計耗掉了大部分的輸入能量(圖2),起到了立竿見影的減震作用,可將墩柱內(nèi)力和支座變形控制在設(shè)計容許的范圍之內(nèi)。5隔震措施的影響(1)在一般地震烈度地區(qū),可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足抗震要求;但在高烈度地區(qū),單純依靠優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計不能從根本上解決抗震問題。(2)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計相比,采取隔震措施降低支座剛度可更有效地降低橋梁的地震內(nèi)力,但同時又會產(chǎn)