徐 輝

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院)

淺析橋梁墩柱抗震設(shè)計(jì)

徐 輝

(中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院)

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 166-2011以及《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02-01-2008，橋梁抗震耗能體系總體上分為兩種類型。類型一實(shí)質(zhì)上是延性抗震設(shè)計(jì)即地震作用時(shí)，利用橋墩墩柱發(fā)生塑性變形耗能;類型二實(shí)際上是減隔震設(shè)計(jì)，地震作用下利用隔震設(shè)施耗散地震能量。通過(guò)分析不同高厚比的橋墩在地震作用下的響應(yīng)，確定合理經(jīng)濟(jì)的抗震耗能體系。

抗震耗能體系;設(shè)計(jì)優(yōu)化;MIDAS

0 前言

城市橋梁型式包括各種類型的直線梁橋以及曲線梁橋，其下部結(jié)構(gòu)樣式包括從英文字母A～Z中凡是對(duì)稱的字母或是其變形體等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，橋墩形式更傾向于經(jīng)濟(jì)合理以及輕盈美觀。國(guó)內(nèi)城市橋墩樣式通常有圓柱形、方形以及花瓶墩等。針對(duì)橋梁墩柱抗震耗能設(shè)計(jì)，抗震規(guī)范提供了兩種設(shè)計(jì)理念:一種為塑性強(qiáng)化設(shè)計(jì)理念，也就是能力保護(hù)設(shè)計(jì)理念，這一理念是新西蘭學(xué)者ParK等在20世紀(jì)70年代中期提出的，并最早在新西蘭混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范中得到應(yīng)用。后這一原則先后被美國(guó)、歐洲以及日本等國(guó)采用。另一種方法是依靠減隔震體系進(jìn)行耗能，常用方法為減隔震支座，依靠支座變形耗散地震能量，下部結(jié)構(gòu)按彈性理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。各種墩柱類型在不同的抗震體系中對(duì)結(jié)構(gòu)抗震貢獻(xiàn)是不同的，采用減隔震支座后，墩柱在抗震中主要提供強(qiáng)度，而采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)的橋梁，墩柱除了提供強(qiáng)度外，剛度對(duì)最終的抗震力計(jì)算占主導(dǎo)地位。

本文利用MIDAS軟件對(duì)不同高厚比的墩柱結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行研究，按照不同設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)不同形式墩柱樣式進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以期找到適合城市橋梁下部墩柱抗震設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方法。

1 高厚比較小的墩柱

高厚比較小的橋梁在城市橋梁中運(yùn)用較多，如花瓶墩等，此類別墩柱由于剛度較大，地震作用下，此類型墩柱不宜發(fā)生延性破壞即不宜出現(xiàn)塑性鉸，很難實(shí)現(xiàn)能力保護(hù)設(shè)計(jì)理念。工程設(shè)計(jì)中只能依靠剛度對(duì)剛度的方法進(jìn)行剛性抗震設(shè)計(jì)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)抗震設(shè)計(jì)中延性設(shè)計(jì)理念。對(duì)于低度抗震設(shè)防區(qū)域，采用剛性設(shè)計(jì)理念，配置適當(dāng)?shù)匿摻罘乐蛊浼羟衅茐募纯桑珜?duì)于高度抗震設(shè)防區(qū)域，采用剛性設(shè)計(jì)理念 ，則相對(duì)浪費(fèi)材料。本文以常用的3×30 m現(xiàn)澆箱梁為例，橋梁寬度為16.5 m，單箱四室結(jié)構(gòu)，橋墩采用常用的柱式墩，墩柱高度選用3m，墩子截面選用常用的1.5 m×1.5 m截面，支座選用盆式支座。計(jì)算簡(jiǎn)圖如下:

計(jì)算采用反應(yīng)譜計(jì)算，橋梁類別選用C類別，抗震設(shè)防烈度選用7、8、9三個(gè)級(jí)別的地震反應(yīng)譜，具體參數(shù)選取如表1所示。

計(jì)算結(jié)果如表2。

從表2中可以看出，在低度地震作用下，結(jié)構(gòu)采用剛性設(shè)計(jì)相對(duì)于非抗震設(shè)計(jì)不會(huì)浪費(fèi)太多材料，但是對(duì)于抗震設(shè)防高度區(qū)，特別是在9度地震作用下，如果按照剛性設(shè)計(jì)橋墩，則抗剪截面都無(wú)法滿足，并且相應(yīng)的彎矩很大。這種情況下如果嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行剛性設(shè)計(jì)，則會(huì)帶來(lái)材料的很大浪費(fèi)。此時(shí)如果考慮采用減隔震設(shè)計(jì)則是個(gè)不錯(cuò)的選擇，本文采用常用的鉛芯減隔震支座進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到結(jié)果如下:

表1 反應(yīng)譜參數(shù)選取表

表2 制動(dòng)墩地震作用效應(yīng)

表3 減隔震支座效應(yīng)

從表1和表2的對(duì)比可知，對(duì)于高厚比相對(duì)較小的墩柱來(lái)說(shuō)，采用減隔震支座可以有效降低地震作用效應(yīng)。從經(jīng)濟(jì)上考慮，墩柱配筋和正常使用狀態(tài)配筋幾乎一樣，唯一差別在于支座的費(fèi)用上，從目前市場(chǎng)行情來(lái)看采用減隔震支座對(duì)高厚比相對(duì)較小的墩柱是合適的。另外，我們僅僅關(guān)注墩柱部分的彎矩以及剪力相對(duì)于減隔震支座得到效益而忽略了樁基礎(chǔ)以及承臺(tái)等由于減隔震設(shè)計(jì)得到的效益。綜上訴述，對(duì)于高震區(qū)高厚比相對(duì)較小的墩柱來(lái)說(shuō)，采用減隔震設(shè)計(jì)是合適的。

2 高厚比相對(duì)較大的墩柱

2.1 墩頂位移計(jì)算

針對(duì)工程中經(jīng)常用到的相對(duì)較高的墩子，規(guī)范建議采用延性設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文采用高厚比為10倍墩寬的墩柱即墩高為15 m的墩柱進(jìn)行抗震驗(yàn)算，計(jì)算模型同圖一，唯一的區(qū)別為墩子相對(duì)較高。墩子周邊按照常用配筋配置間距為10 cm直徑為32的HRB335鋼筋，共配置了64根鋼筋。為對(duì)比性，本文針對(duì)此類別的墩柱只考慮9度抗震設(shè)防烈度的地震作用效應(yīng)，不考慮其余烈度作用下的地震作用效應(yīng)。模型采用MIDAS提供的纖維單元模擬塑性鉸特性，其中鋼筋采用Menegotto-pinto模型，混凝土采用Kent-park模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到墩頂位移為18 cm。

2.2 墩頂允許位移計(jì)算

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02-01-2008規(guī)定，在最不利軸力8 000 kN的作用下，此墩子的理想彈塑性軸力-彎矩-曲率曲線如圖2所示。

圖1 理想彈塑性軸力-彎矩-曲率

由圖1可得此截面的基本參數(shù)如表4所示:

由于是規(guī)則橋梁，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02-01-2008中7.4.7條公式以及公式 7.4.3.1 ～3 得到墩頂允許位移為31.6 cm。顯然墩頂位移在允許范圍內(nèi)。

表4 截面理想彈塑性軸力-彎矩-曲率參數(shù)

通過(guò)計(jì)算可知，對(duì)于高厚比的墩柱，即使在9度抗震設(shè)防區(qū)依然可以通過(guò)墩底部的延性保護(hù)設(shè)計(jì)達(dá)到抗震耗能的目的。

3 結(jié)論

(1)對(duì)于高厚比較小的墩柱，當(dāng)其位于低度抗震設(shè)防烈度區(qū)域時(shí)候，建議直接采用剛性設(shè)計(jì)即可，但當(dāng)此類別墩柱位于較高抗震烈度設(shè)防區(qū)域則建議考慮采用減隔震措施進(jìn)行抗震耗能設(shè)計(jì)。

(2)對(duì)高厚比較大的墩柱，建議采用規(guī)范推薦的延性-保護(hù)抗震設(shè)計(jì)理念進(jìn)行延性設(shè)計(jì)以及進(jìn)行能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)。

(3)橋梁結(jié)構(gòu)相差千差萬(wàn)別，上部結(jié)構(gòu)重力以及相對(duì)的剛度比等一系列因素都可能成為影響結(jié)構(gòu)抗震耗能體系的因素。故針對(duì)不同的橋梁結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)計(jì)時(shí)候，進(jìn)行多方案必選，按照經(jīng)濟(jì)以及能力最優(yōu)化選擇抗震耗能體系。

［1］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 166-2011)［S］.2012年3月1日實(shí)施.

［2］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T B02-01-2008)［S］.2008年10月1日實(shí)施.

［3］彭偉，李建中.減隔震連續(xù)梁橋非經(jīng)典阻尼問(wèn)題與地震響應(yīng)簡(jiǎn)化分析［J］.振動(dòng)與沖擊，2009，(1).

［4］吳彬，莊軍生.鉛芯橡膠支座力學(xué)性能及其在橋梁工程中減、隔震應(yīng)用研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2004，(4).

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1008-3383(2013)05-0110-02

2013-03-28

徐輝(1981-)，男，工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。