劉 俊
(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)院,北京 102600)
近幾十年來,我國地震活動(dòng)較為頻繁,幾次強(qiáng)烈的地震造成了十分嚴(yán)重的破壞后果。作為生命線工程之一的橋梁工程是交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,是交通運(yùn)輸?shù)臉屑~工程,在抗震救災(zāi)中處于極其重要的地位。鑒于橋梁震害的嚴(yán)重性,我國的橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提出了越來越嚴(yán)格的要求,除了延用“強(qiáng)度設(shè)防”的概念外,在延性抗震設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)方面也提出了具體的要求。
隨著我國鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展,長聯(lián)多跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋得到了越來越多的應(yīng)用?,F(xiàn)行的《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50111—2006)并沒有對此類橋梁的抗震設(shè)計(jì)有明確的規(guī)定,因此,研究長聯(lián)多跨剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
本文以某鐵路橋主橋結(jié)構(gòu)為(48+4×80+48)m剛構(gòu)-連續(xù)梁為例來說明長聯(lián)多跨剛構(gòu)連-續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)過程及特點(diǎn)。
(1)鐵路等級:Ⅰ級。
(2)正線數(shù)目:單線。
(3)設(shè)計(jì)速度:客車160 km/h,貨車120 km/h。
(4)橋面寬度:擋砟墻內(nèi)側(cè)凈寬4.50 m,橋梁頂面總寬7.0 m。
(5)設(shè)計(jì)活載:中-活載。
(6)地震動(dòng)參數(shù):地震動(dòng)峰值加速度0.214g;抗震設(shè)防烈度為8度。
(7)施工方法:掛籃懸臂灌注施工。
主橋采用(48+4×80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁,中間橋墩與主梁固結(jié),其余兩側(cè)橋墩均設(shè)置單向活動(dòng)支座。主橋全長416.0 m,最大墩高12.5 m。主梁采用C50混凝土,墩身采用C45混凝土,承臺采用C40混凝土,樁基采用C35混凝土。全橋立面布置如圖1所示。
圖1 全橋立面布置(單位:cm)
主梁為單箱單室變高度箱梁,箱梁典型截面梁高:端支座處、邊跨直線段和中跨中處均為3.8 m,邊跨直線段長9.65 m;中支點(diǎn)處梁高6.8 m,平段長4.0 m;梁高按圓曲線變化,圓曲線半徑R=229.667 m。主梁橫向?yàn)閱蜗鋯问抑备拱褰孛?,全橋箱梁底板?.0 m,頂板寬7.0 m,頂板厚0.35 m,腹板厚0.4~0.8 m,底板厚由直線段的0.4 m變化至中支點(diǎn)梁根部的0.9 m;主梁典型橫斷面如圖2所示。
圖2 主梁橫斷面(單位:cm)
主墩采用3.6 m×7.0 m矩形截面單柱實(shí)心墩,除交接墩外其他活動(dòng)墩均采用4.0 m×7.0 m矩形截面單柱實(shí)心墩,交接墩采用3.5 m×7.0 m的圓端型截面;主墩基礎(chǔ)為18根φ1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ),采用行列式布置,橋墩編號從左至右為1號~7號墩,其中4號墩為剛構(gòu)墩,其他各墩均為活動(dòng)墩。各墩墩身、樁基配筋設(shè)計(jì)見表1。
表1 墩身、樁基配筋設(shè)計(jì)
懸臂施工澆筑梁段分成3.0、3.5 m和4.0 m,全橋共分95個(gè)梁段,最大懸臂澆筑塊重1 121 kN。0號段長度采用10.0 m,合龍段長2.0 m。
本文采用空間有限元方法建立了該橋的計(jì)算模型,如圖3所示。主梁、主墩均采用空間梁元模擬;主墩樁基周圍土的約束作用,根據(jù)文獻(xiàn)[1]可用承臺底6個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁土相互作用,彈簧剛度數(shù)值根據(jù)文獻(xiàn)[2]的“m”法確定,土的抗力取值比靜力大,一般取m動(dòng)=(2~3)m靜,計(jì)算得到各墩承臺底的剛度系數(shù)如表2所示;其中KX、KY、KZ分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎向線剛度系數(shù),KXX、KYY、KZZ分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度系數(shù),KXY、KYX分別表示水平線剛度與轉(zhuǎn)動(dòng)剛度的相關(guān)系數(shù),在模型中指定節(jié)點(diǎn)彈簧輸入各墩承臺底的剛度系數(shù)來模擬樁基礎(chǔ)的作用;支座作用通過在梁部與墩頂相應(yīng)節(jié)點(diǎn)建立連接單元來模擬,按實(shí)際支座布置方式建模,具體的支承連接條件如表3所示,“0”表示無約束,“1”表示有約束,“K”表示輸入剛度值。主梁與剛構(gòu)墩之間通過剛臂連接。
圖3 空間有限元模型
表2 樁基礎(chǔ)剛度矩陣
表3 成橋狀態(tài)的支承連接條件
根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)可知,該橋位于高震區(qū)。鑒于本橋結(jié)構(gòu)和場地的特殊性,委托相關(guān)地震研究中心對工程場地的地震安全性進(jìn)行評價(jià)。地震研究中心給出的地震安全性評價(jià)報(bào)告中提供了該橋基巖水平加速度反應(yīng)譜(阻尼比0.05)。其動(dòng)力放大系數(shù)
水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)如表4所示,動(dòng)力放大系數(shù)如圖4所示。
表4 水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)(ξ=0.05)
圖4 動(dòng)力放大系數(shù)β曲線
地震研究中心給出的地震安全性評價(jià)報(bào)告中提供了該橋50年63%、10%、2%3種不同超越概率水平下基巖處加速度時(shí)程曲線,對應(yīng)每種超越概率分別給出了3個(gè)樣本,如圖5所示(僅示第1個(gè)樣本)。
圖5 50年不同超越概率下水平向地震動(dòng)加速度時(shí)程
在常規(guī)設(shè)計(jì)中,多跨剛構(gòu)連續(xù)梁橋除剛構(gòu)墩外其他活動(dòng)墩一般只設(shè)置縱向活動(dòng)支座,支座設(shè)置橫向約束,以保證結(jié)構(gòu)具有足夠的橫向剛度滿足正常使用的要求,各墩墩頂處的支座約束方式參見表3。常規(guī)設(shè)計(jì)下前6階自振頻率及振型特征描述見表5。
表5 常規(guī)設(shè)計(jì)前6階自振頻率及振型特征描述
由文獻(xiàn)[3]可知,該橋?qū)儆贐類橋梁,地震作用的重要性系數(shù)Ci為1.5;抗震驗(yàn)算應(yīng)計(jì)入豎向地震作用的影響,豎向地震基本加速度取水平地震基本加速度的0.65倍;應(yīng)對結(jié)構(gòu)按多遇地震進(jìn)行橋墩、基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算;按設(shè)計(jì)地震驗(yàn)算上、下部結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造的強(qiáng)度;按罕遇地震對橋墩進(jìn)行延性驗(yàn)算。
本文分別運(yùn)用反應(yīng)譜法、一致激勵(lì)動(dòng)態(tài)時(shí)程法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析,地震響應(yīng)結(jié)果取反應(yīng)譜、時(shí)程計(jì)算結(jié)果中較大值。其中,在多遇地震(50年-63%)作用下地震輸入采用2種方式:(1)水平縱向+豎向;(2)水平橫向+豎向,各墩墩底的內(nèi)力響應(yīng)見表6,在設(shè)計(jì)地震(50年-10%)作用下各橋墩縱向活動(dòng)支座的橫向剪力響應(yīng)見表7。
表6 多遇地震常規(guī)設(shè)計(jì)下各墩墩底的內(nèi)力響應(yīng)
由計(jì)算結(jié)果可知,常規(guī)設(shè)計(jì)多遇地震作用下,剛構(gòu)墩順橋向、橫橋向的地震響應(yīng)均明顯大于其他活動(dòng)墩,活動(dòng)墩對結(jié)構(gòu)抵抗順橋向地震作用的貢獻(xiàn)很小,各墩抗震設(shè)計(jì)的控制斷面均為墩底截面。由于橋址處地震動(dòng)峰值加速度較大,場地的特征周期較長,橋梁結(jié)構(gòu)的聯(lián)長較長、橋墩較矮,所以剛構(gòu)墩的內(nèi)力響應(yīng)很大。在設(shè)計(jì)地震作用下,各活動(dòng)墩支座的橫向剪力響應(yīng)最大達(dá)到支座噸位的49.5%,普通的支座很難滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對支座抗震驗(yàn)算的要求。
表7 設(shè)計(jì)地震常規(guī)設(shè)計(jì)下各支座的橫向剪力響應(yīng)
對于橋梁結(jié)構(gòu),通常采用在梁體與墩臺的連接處安裝減隔震支座、阻尼器,通過延長結(jié)構(gòu)的周期、增加結(jié)構(gòu)阻尼來有效地減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。該橋通過在各活動(dòng)墩設(shè)置雙曲面球型減隔震支座來減小結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),達(dá)到滿足抗震設(shè)計(jì)要求的目的。
雙曲面球型減隔震支座的抗震工作機(jī)理比較明確,其構(gòu)造如圖6所示,可以用等效線性化模型來模擬,其滯回曲線如圖7所示。該橋選用的雙曲面球型減隔震支座的各項(xiàng)參數(shù)如表8所示。
圖6 雙曲面球型減隔震支座構(gòu)造示意
圖7 雙曲面球型減隔震支座的滯回曲線
表8 雙曲面球型減隔震支座主要參數(shù)
在多遇地震下減隔震設(shè)計(jì)下各墩墩底的內(nèi)力響應(yīng) 見表9。
表9 多遇地震減隔震設(shè)計(jì)下墩底的內(nèi)力響應(yīng)
從計(jì)算結(jié)果可以看出,在多遇地震作用下,與常規(guī)設(shè)計(jì)相比,減隔震設(shè)計(jì)后該橋的地震響應(yīng)大幅減小,剛構(gòu)墩的內(nèi)力地震響應(yīng)減小超過50%。
由文獻(xiàn)[3]可知,應(yīng)按照以下4種工況:(1)順橋向無車,恒載+豎向地震力+順橋向地震力;(2)順橋向有車,恒載+靜活載+豎向地震力+順橋向地震力;(3)橫橋向無車,恒載+豎向地震力+橫橋向地震力;(4)橫橋向有車,恒載+靜活載+豎向地震力+橫橋向地震力(計(jì)50%的列車活載引起的地震力)對結(jié)構(gòu)按多遇地震進(jìn)行橋墩、基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算。常規(guī)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)在多遇地震作用下橋墩及樁基礎(chǔ)的檢算結(jié)果如表10~表12所示。
表10 多遇地震下橋墩強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa
表11 多遇地震下樁基礎(chǔ)強(qiáng)度檢算結(jié)果 MPa
從檢算結(jié)果可以看出,在多遇地震作用下,常規(guī)設(shè)計(jì)中3號~5號墩鋼筋的最小應(yīng)力超出規(guī)范要求,2號~5號墩的樁基最大豎向力超出了單樁允許承載力;減隔震設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的地震力大幅減小,橋墩、樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度驗(yàn)算,樁基礎(chǔ)的承載力驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。
表12 多遇地震下樁基礎(chǔ)承載力檢算結(jié)果 kN
由文獻(xiàn)[3]可知,應(yīng)按設(shè)計(jì)地震驗(yàn)算支座的抗剪能力。常規(guī)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)地震作用下各橋墩縱向活動(dòng)支座的橫向剪力響應(yīng)如表13所示。
由表13中結(jié)果可知,在設(shè)計(jì)地震作用下,支座所承受的水平力超過減隔震設(shè)計(jì)中的雙曲面球型減隔震支座抗剪銷的水平承載力時(shí),抗剪銷被剪斷,支座的限位約束被解除,支座所承受的剪力響應(yīng)大大減小。在恢復(fù)力的作用下,地震發(fā)生后雙曲面球型減隔震支座很容易復(fù)位,只需要更換支座的抗剪銷,支座又能恢復(fù)正常使用。
表13 設(shè)計(jì)地震下各支座的橫向剪力響應(yīng)
由文獻(xiàn)[3]可知,應(yīng)按罕遇地震對鋼筋混凝土的橋墩進(jìn)行延性驗(yàn)算,非線性位移延性比μu=Δmax/Δy應(yīng)小于允許位移延性比4.8,其中Δmax為橋墩的非線性最大位移響應(yīng),Δy為橋墩的屈服位移。常規(guī)設(shè)計(jì)、減隔震設(shè)計(jì)在罕遇地震作用下剛構(gòu)墩的延性驗(yàn)算如表14所示。
表14 罕遇地震下剛構(gòu)墩的延性驗(yàn)算
由表14中計(jì)算結(jié)果可知,在罕遇地震作用下,減隔震設(shè)計(jì)下各個(gè)橋墩的非線性最大位移響應(yīng)與常規(guī)設(shè)計(jì)下相比偏小。常規(guī)設(shè)計(jì)中順橋向的剛構(gòu)墩和橫橋向的所有橋墩均已屈服,減隔震設(shè)計(jì)中順橋向的剛構(gòu)墩和橫橋向的交接墩均已屈服,位移延性比均小于4.8,滿足抗震規(guī)范中延性檢算的要求。
傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法是依靠增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸、配筋從而提高結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、變形能力來抗震的,盡管通過適當(dāng)選擇塑性鉸的發(fā)生順序和細(xì)部延性設(shè)計(jì)可以防止結(jié)構(gòu)的倒塌,但結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷不可避免。采用減隔震裝置可以將結(jié)構(gòu)與可能引起破壞的地震地面運(yùn)動(dòng)或支座運(yùn)動(dòng)分離開,從而大大減少結(jié)構(gòu)的地震力。本文中的(48+4×80+48)m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)梁橋,采用雙曲面球型減隔震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)后,橋墩、基礎(chǔ)的內(nèi)力地震響應(yīng),支座承受的剪力及橋墩的非線性最大位移響應(yīng)均大大減小,在與常規(guī)設(shè)計(jì)同等條件下,采用減隔震設(shè)計(jì)可以大大提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。
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