山區(qū)高墩橋梁抗震設(shè)計的新要求

山區(qū)高墩橋梁抗震設(shè)計的新要求

1山區(qū)高墩橋梁一般特征近年來，隨著中國交通的發(fā)展，尤其是中國西南和西北地區(qū)山區(qū)公墓的建設(shè)，許多不規(guī)則的橋梁被用來穿過河谷和溝渠。底部通常是高度高度的，高度相同。調(diào)查表明,在已建成及正在設(shè)計規(guī)劃中的高等級公路中,墩高超過40m的高墩橋梁占橋梁總數(shù)的40%以上。例如云南省小灣電站的瀾滄江特大橋(124m+220m+124m的連續(xù)剛構(gòu)),最大橋墩高度115m,黃延高速公路洛河特大橋最高墩高達(dá)143m。山區(qū)高墩橋梁一般有以下特點(diǎn):(1)平、豎曲線的半徑往往比較小,一般采用變墩高的曲線橋(圖1);(2)上部通常采用多聯(lián)連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu);(3)下部多采用薄壁空心墩,墩高相差懸殊,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,長細(xì)比較大(圖2)。我國汶川大地震的橋梁震害,引起廣大橋梁設(shè)計者對山區(qū)高墩橋梁抗震的重視,新修訂的《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/TB02-01—2008)對于墩高不大于40m的墩柱的規(guī)則橋梁做了詳細(xì)規(guī)定,對于不規(guī)則橋梁和特殊橋梁需進(jìn)行專項研究。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?？偨Y(jié)世界各大地震及汶川大地震的震害,山區(qū)高墩橋梁的震害只要集中在以下幾個方面:(1)橋臺移位,樁柱傾斜、折斷和開裂,重力式橋臺胸墻開裂,臺體移動、下沉和轉(zhuǎn)動,橋頭搭板沉降,翼墻損壞、開裂,施工縫錯位以及因與主梁相撞而損壞,如圖3所示。(2)樁墩墩臺折斷、傾斜、開裂、下沉及混凝土橋墩下部鋼筋屈服、混凝土崩裂、壓碎等,如圖4所示。(3)支座傾斜、剪斷,錨固螺栓拔出、輥軸支座滾動脫落、活動支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等,如圖5所示。(4)橋臺、橋墩傾斜、倒塌,抗震擋塊剪斷、支座破壞,梁體碰撞,缺乏足夠連梁裝置而引起相鄰墩間發(fā)生過大相對位移等引起的主梁墜落,如圖6所示。針對以上震害,本文從橋梁的概念設(shè)計、抗震計算及構(gòu)造措施三個方面對山區(qū)高墩橋梁抗震設(shè)計提出相應(yīng)的建議。2橋梁結(jié)構(gòu)在川橋結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用大量的震害資料表明,合理的結(jié)構(gòu)形式和成功的抗震設(shè)計可以大大減輕甚至避免震害的發(fā)生。在汶川地震中拱橋、剛構(gòu)橋、簡支梁橋、連續(xù)梁橋都有不同的抗震體現(xiàn),例如概念設(shè)計較好的廟子坪大橋的主橋采用剛構(gòu)橋,而跨越斷層的橋跨段采用了簡支梁結(jié)構(gòu),在汶川地震中僅其中一跨出現(xiàn)落梁現(xiàn)象,沒有發(fā)生全橋倒塌。合理的概念設(shè)計包括橋位的選擇、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。2.1抗推剛度和基本周期比山區(qū)高墩橋梁在地震作用下,墩頂位移比較大。地震中采用簡支梁較采用連續(xù)梁更容易發(fā)生落梁;斜橋橋墩傳遞給上部結(jié)構(gòu)的地震力與橋梁的軸線斜交,促使橋梁上部結(jié)構(gòu)平面轉(zhuǎn)動;蓋梁的抗震擋塊不能抵抗上部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動時,也會發(fā)生落梁破壞,而且橋梁的轉(zhuǎn)動會加劇主梁間的碰撞,造成主梁和伸縮縫等構(gòu)件的破壞。如果墩梁固結(jié),多余約束在強(qiáng)震中形成塑性鉸,可以大量耗能,則可以提高橋梁抗震性能。造成山區(qū)高墩橋梁墩頂位移大很重要的原因是橋墩剛度和質(zhì)量不平衡,山區(qū)橋梁由于山谷兩側(cè)山體坡度較大,墩的高度往往相差懸殊、跨距不均勻,所以很容易造成剛度和質(zhì)量不平衡的情況,相鄰橋墩因高度不同而導(dǎo)致剛度相差較大,會導(dǎo)致水平地震力在各墩間的分配不理想,剛度大的墩將承受較大的水平地震力,影響了結(jié)構(gòu)的整體抗震能力。如果剛度扭轉(zhuǎn)中心和質(zhì)量中心偏離,上部結(jié)構(gòu)還將伴隨產(chǎn)生水平轉(zhuǎn)動,增加了落梁和碰撞等破壞的機(jī)率。對于連續(xù)梁橋,同一聯(lián)內(nèi)各橋墩的剛度應(yīng)盡可能接近。我國2008年新頒布的《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/TB02-01—2008)對剛度和質(zhì)量平衡沒有明確要求,而美國Caltrans《橋梁抗震設(shè)計準(zhǔn)則》對于連續(xù)梁橋橋墩之間的剛度比和基本周期比都做了規(guī)定:任意兩墩的抗推剛度和相鄰兩墩的抗推剛度應(yīng)分別滿足式(1)和式(2),相鄰兩聯(lián)的基本振動周期比應(yīng)滿足式(3)。Κi/ΜiΚj/Μj≥0.5(1)Κi/ΜiΚj/Μj≥0.75(2)ΤiΤj≥0.7(3)Ki/MiKj/Mj≥0.5(1)Ki/MiKj/Mj≥0.75(2)TiTj≥0.7(3)式中:Ki、Kj分別為i號、j號墩的抗推剛度,Ki≤Kj;Mi、Mj分別為i號、j號墩頂?shù)牡刃Ъ匈|(zhì)量,如果為非變寬橋梁,則Mi=Mj;Ti、Tj分別為第i、j聯(lián)的基本周期,Ti≤Tj。橋墩的組合抗推剛度是墩和支座的串聯(lián)剛度,滿足下式:Κ=Κb?ΚpΚb+Κp(4)K=Kb?KpKb+Kp(4)式中:K為墩的組合抗推剛度;Kb、Kp分別為墩的水平剛度和支座的抗剪剛度。山區(qū)橋梁橋墩高度變化較大,從式(4)可以看出,為保證橋梁剛度和質(zhì)量的平衡,應(yīng)盡可能采用等墩高、等跨徑、等橋面寬度的結(jié)構(gòu)形式,調(diào)整墩的直徑和支座形式等方法來改善橋的平衡情況。2.2梁橋結(jié)構(gòu)形式山區(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),橋墩的形式也是影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素之一。在地震作用下,高墩與矮墩的結(jié)合使得橋梁受力更為復(fù)雜,而當(dāng)高墩與矮墩不耦合時,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)的落梁或支座脫位,高墩的選型和設(shè)計對全橋在地震作用下的安全有著重要的意義。山區(qū)高等級公路由于地形和地貌的限制,橋墩高于40m的非規(guī)則梁橋非常多,而因?yàn)檫@些橋梁都是簡單的梁橋,梁橋墩高在30m以內(nèi)時,往往雙圓柱墩用得比較多。當(dāng)墩高超過30m,往往采用獨(dú)柱T形墩、空心薄壁墩、門架墩等橋墩形式。這些橋墩形式都具有自身的特點(diǎn)。對于位于平曲線上的橋梁,在地震發(fā)生時,橋墩的地震響應(yīng)為彎扭耦合震動,橋墩的截面形式要求具有較好的抗彎剛度和抗扭剛度;普通雙柱墩橫向抗彎剛度較好,但是縱向抗彎剛度和抗扭剛度較差。橋墩較高時,雙柱墩在彎矩、剪力、軸力的共同作用下容易發(fā)生墩柱的失穩(wěn)破壞,因此,在橋墩高超過30m時,不建議采用。獨(dú)柱T形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)。在山區(qū)高墩橋梁的設(shè)計中,獨(dú)柱T形墩一般采用預(yù)應(yīng)力懸挑式蓋梁與剛度較大的墩柱相結(jié)合,特點(diǎn)是截面橫向尺寸比較小,相應(yīng)的橫橋向截面剛度較小,在橋墩高度不大于60m時采用較多;空心薄壁墩,其形式與獨(dú)柱T形墩從外觀上比較接近,但是截面橫橋向尺寸比較大、橋墩橫向剛度較大,在橋墩高度小于80m時具有明顯的優(yōu)勢。門架墩的剛度比普通雙柱墩好,但隨著橋墩高度的增加,由于橫向是通過系梁將兩根門架柱聯(lián)系起來,因此橫向剛度和整體性較差,抗扭剛度較小,門架墩多用于橋墩高度不大于90m的橋梁。因此,從橋墩選型來考慮,梁橋獨(dú)柱T形墩和空心薄壁墩有一定的優(yōu)勢,預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)多采用單薄壁墩、雙薄壁墩。橋墩高度與橋墩形式對應(yīng)關(guān)系見表1。3動力平衡方程山區(qū)高墩橋梁由于山谷兩側(cè)山體坡度較大,墩的高度往往相差懸殊,跨距不均勻,地震力作用下水平地震力在各墩間的分配一般不理想,因此山區(qū)橋梁抗震計算有其難點(diǎn)和特點(diǎn)。(1)由于地形復(fù)雜,跨斷層、近斷層、地形變化大和長大跨橋梁(>600m)需要考慮多點(diǎn)激勵的影響。大量地震記錄表明,在同一次地震中,地表各處的反應(yīng)不同,即使相距僅幾十米,振動的幅值、相位和頻譜特征也不盡相同,且其空間變化十分復(fù)雜。因此,山區(qū)不規(guī)則橋梁應(yīng)當(dāng)有針對性地考慮多點(diǎn)激勵的影響。(2)需要考慮動力非線性的影響,許多高墩橋梁即使在靜力荷載下也會有明顯的非線性變形,尤其是以軸力為主的大跨度剛構(gòu)橋?qū)ψ冃斡绊懛浅Ｃ舾?因此,山區(qū)高墩橋梁結(jié)構(gòu)的抗震分析應(yīng)當(dāng)考慮非線性的影響。(3)考慮橋墩高階振型影響,由于高墩的自振周期長、墩身質(zhì)量大,地震作用下可能形成兩個或兩個以上塑性鉸,忽略高階振型的貢獻(xiàn)可能導(dǎo)致較大誤差,難以保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性。針對上述高墩橋梁抗震計算的特點(diǎn),有必要對現(xiàn)有抗震計算方法的適用性進(jìn)行研究。地震動過程中結(jié)構(gòu)承受的荷載實(shí)際上是隨時間變化的支座移動產(chǎn)生的荷載;地震動作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)就是隨時間變化的支座移動導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。若確定了結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系、運(yùn)動狀態(tài)和力學(xué)狀態(tài),此時設(shè)隨時間變化的支座移動具有一定的速度和加速度,那么結(jié)構(gòu)的非支座部分同樣會產(chǎn)生相應(yīng)的位移、速度和加速度,若將結(jié)構(gòu)的自由度分成支座自由度和非支座自由度兩類,動力平衡微分方程具有如下形式:Μü+C˙u+Κu=R(5)Mü+Cu˙+Ku=R(5)也可以表示為:[ΜssΜsbΜbsΜbb]{üsüb}+[CssCsbCbsCbb]{˙us˙ub}+[ΚssΚsbΚbsΚbb]{usub}={0Rb}(6)[MssMsbMbsMbb]{üsüb}+[CssCsbCbsCbb]{u˙su˙b}+[KssKsbKbsKbb]{usub}={0Rb}(6)式中:üs、˙uu˙s、us為絕對坐標(biāo)系下上部結(jié)構(gòu)非支座結(jié)點(diǎn)運(yùn)動向量;üb,˙uu˙b,ub為絕對坐標(biāo)系下已知的地面運(yùn)動向量;M、C為質(zhì)量、阻尼矩陣,其下標(biāo)ss、bb和sb分別表示上部結(jié)構(gòu)自由度、支座自由度和它們的耦合項;Rb為支座反力向量,如果結(jié)構(gòu)的響應(yīng)已經(jīng)得到,可通過式(6)的第二式得到Rb。將式(6)中的第1式展開就可以得到關(guān)于上部結(jié)構(gòu)未知運(yùn)動向量üs、˙uu˙s、us的動力平衡方程:Μssüs+Css˙us+Κssus=-(Μsbüb+Csb˙ub+Κsbub)(7)Mssüs+Cssu˙s+Kssus=?(Msbüb+Csbu˙b+Ksbub)(7)如果采用集中質(zhì)量模型,即有Msb=0;且忽略阻尼力-Csb˙ub?Csbu˙b,可以得到:Μssüs+Css˙us+Κssus=-Κsbub(8)Mssüs+Cssu˙s+Kssus=?Ksbub(8)式中:ub為地面運(yùn)動位移向量;-Ksbub為絕對坐標(biāo)系下由于支座隨地面運(yùn)動而產(chǎn)生的作用在上部結(jié)構(gòu)上的力。式(8)就是求解地震地面運(yùn)動作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)的基本公式。從方程可以看出,研究高墩橋梁在地震作用下動力反應(yīng)其實(shí)就是研究方程(8)的問題。由此得到的抗震分析方法一般有反應(yīng)譜法、隨機(jī)振動法、靜力彈塑性分析(Push-over)方法和時間歷程法。3.1解釋論上的不一致性當(dāng)前在橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析中,反應(yīng)譜方法還是最基本最廣泛使用的分析方法。但在應(yīng)用反應(yīng)譜方法進(jìn)行抗震分析時,沒有考慮各支座在地震激勵下運(yùn)動的不一致性,而是假設(shè)所有各支座都是按相同的規(guī)律運(yùn)動。這對于地形復(fù)雜、跨越近斷層和長大跨的山區(qū)高墩橋梁結(jié)構(gòu),這種假設(shè)就是不合理的。研究表明,當(dāng)結(jié)構(gòu)的跨度達(dá)到或超過地震波長的1/4時,地面支座的運(yùn)動就不能認(rèn)為是均勻一致的了。基于振型疊加的反應(yīng)譜法本質(zhì)上是一種線性方法,將它用于高抗震區(qū)的高墩橋梁強(qiáng)非線性問題可能導(dǎo)致較大的誤差。3.2隨機(jī)振動虛擬激勵法的特點(diǎn)地震地面運(yùn)動是一個非平穩(wěn)隨機(jī)過程,而隨機(jī)振動法充分考慮了地震發(fā)生的概率特性,所以普遍認(rèn)為隨機(jī)振動法是一種合理的分析方法。但是,隨機(jī)振動法的缺點(diǎn)是它的計算量龐大,而且對于非線性問題可能引起較大的誤差。隨機(jī)振動虛擬激勵法,解決了隨機(jī)振動方法計算量龐大的難題,且保證了足夠的計算精度。虛擬激勵法在一些重要方面彌補(bǔ)了反應(yīng)譜法的不足,并且計算效率很高、應(yīng)用方便,適于作為一種實(shí)用手段廣泛地應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中。但該方法在處理罕遇地震下的高墩強(qiáng)非線性問題時有其局限性。3.3分析手段的選擇Push-over方法作為近似的非線性抗震分析手段,主要是用于結(jié)構(gòu)的變形計算,應(yīng)該說有一定的應(yīng)用價值。但用靜態(tài)的分析方法來研究動態(tài)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),力學(xué)模型本身就有其局限性。3.4結(jié)構(gòu)的地震動場模擬研究表明,在強(qiáng)烈地震作用下,高墩橋梁可能進(jìn)入嚴(yán)重的非線性彈塑性狀態(tài)。此時,時間歷程分析方法比反應(yīng)譜法和隨機(jī)振動法有更強(qiáng)的適應(yīng)性?？梢詫⒌卣疠斎氲奶匦耘c結(jié)構(gòu)的固有特性很好地聯(lián)系起來,特別是能與結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)聯(lián)系起來。但計算量龐大的缺點(diǎn)仍然是時程分析方法應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計的一大障礙,且確定性的地震動輸入方式,要使這個方法應(yīng)用于多點(diǎn)激勵時程必須生成符合結(jié)構(gòu)所在場地的空間地震動場。從以上可以看出,時程分析方法雖有一定的缺陷,但隨著人們對地震動了解的深入及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,仍不失為目前求解山區(qū)高墩非規(guī)則橋梁在多點(diǎn)地震動激勵作用下非線性反應(yīng)的最好的解決方法之一。本文建議山區(qū)高墩橋梁線性分析可用采用反應(yīng)譜方法、隨機(jī)振動法、靜力彈塑性分析(Push-over)方法、時間歷程分析方法,多點(diǎn)地震動激勵分析和非線性分析用時程分析方法。4高架橋的抗疲勞措施汶川地震中,不少梁橋出現(xiàn)落梁,墩、臺、支座破壞現(xiàn)象,在此,本文總結(jié)了幾項抗震的措施,可以應(yīng)用于山區(qū)高墩橋梁抗震。(1)限位器的設(shè)計美國的《加州地震設(shè)計規(guī)范》和日本的《橋梁設(shè)計規(guī)范》都推薦了在伸縮縫處安裝限位器來限制相對位移,并指定了限位器的設(shè)計方法;日本《橋梁設(shè)計規(guī)范》還考慮了碰撞對相對位移的影響,提出了考慮碰撞效應(yīng)的相對位移反應(yīng)譜,以防止地震中上部結(jié)構(gòu)落梁的發(fā)生,而我國橋梁抗震設(shè)計及驗(yàn)算都只注重橋墩的強(qiáng)度和變形能力,雖然我國有些橋梁已經(jīng)采用連梁裝置,但還缺乏系統(tǒng)深入的研究。(2)抗震擋塊設(shè)計現(xiàn)行橋梁抗震設(shè)計規(guī)范對橋梁的構(gòu)造細(xì)節(jié)有待改善,汶川地震中出現(xiàn)大量橋梁發(fā)生抗震擋塊的剪斷或剪裂現(xiàn)象,說明抗震擋塊的合理設(shè)計、合理施工非常重要。擋塊設(shè)計應(yīng)關(guān)注擋塊與主梁的剛度比值范圍;地震擋塊容許剪裂的程度;不