王 竹 吳靜秋 向 陽(yáng)
(中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司 北京 100097)
抗震概念設(shè)計(jì)(seismic concept design)是指根據(jù)工程抗震基本理論及長(zhǎng)期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想,正確地解決總體方案、結(jié)構(gòu)布置、材料使用和細(xì)部構(gòu)造等,以便達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的??拐鹩?jì)算設(shè)計(jì)(seismic numerical design)是指依據(jù)一定的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型,按地震作用計(jì)算、內(nèi)力分析及組合、強(qiáng)度計(jì)算、構(gòu)造措施等的抗震數(shù)值分析[1-2]??拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能方向性的把握,起主導(dǎo)作用;抗震計(jì)算設(shè)計(jì)以抗震概念設(shè)計(jì)為前提,是對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)的補(bǔ)充完善和精確化[3-6],以從根本上消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié),再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造措施,使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。
賽果高墩展線橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁結(jié)構(gòu),墩高最大達(dá)66.73 m,設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度:0.18 g。基于本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在抗震設(shè)計(jì)中,提出以下抗震概念設(shè)計(jì):
(1)基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)。采用整體性較好的樁基礎(chǔ),樁基礎(chǔ)嵌入基巖。
(2)高墩設(shè)計(jì)。因墩高達(dá)66.73 m,長(zhǎng)細(xì)比較大,為提高墩身的剛度,減少墩頂?shù)奈灰疲丈硌馗叨确较虿捎米兘孛嫦湫投?,下大上小?/p>
(3)墩身水平力的分配。因地震烈度較大,上構(gòu)對(duì)墩身的水平力較大,因此,對(duì)于墩高較高的連續(xù)墩,均設(shè)置縱向固定支座,以便上構(gòu)對(duì)墩身的水平力由3個(gè)墩身同時(shí)承擔(dān)。
(4)支座設(shè)計(jì)。因結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較劇烈,為改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,支座采用減隔震支座。
選取具有代表性的一聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,K577+484左幅特大橋40~44號(hào)墩及耦聯(lián)的K577+492右幅特大橋39~43號(hào)墩。
建模時(shí)為了計(jì)算精確,把計(jì)算聯(lián)的左右相鄰聯(lián)也一起建出。計(jì)算聯(lián)和相鄰聯(lián)通過(guò)伸縮縫分開(kāi),并在伸縮縫處添加了可考慮橋梁碰撞影響的Combin單元,見(jiàn)圖1。
圖1 Combin單元設(shè)置示意圖
分析計(jì)算采用的是大型通用有限元分析程序ANSYS,主梁和橋墩均采用ANSYS空間梁?jiǎn)卧狟eam188,該單元為鐵木辛柯梁?jiǎn)卧?,具有一次插值形函?shù),通過(guò)細(xì)化的網(wǎng)格劃分,可以有效地模擬各類(lèi)梁柱構(gòu)件的性能。
按照實(shí)際尺寸建立左幅特大橋36~47號(hào)橋墩(3聯(lián))樁基模型,考慮樁土共同工作,通過(guò)計(jì)算得到不同深度的側(cè)向剛度,等效為土彈簧進(jìn)行模擬。與之耦聯(lián)的右幅特大橋35~46號(hào)墩(3聯(lián))樁基模型通過(guò)計(jì)算嵌固深度考慮,在保證精度的前提下減少模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目,提高運(yùn)算效率。左幅特大橋40~44號(hào)橋墩(3聯(lián))結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)
圖2 左幅特大橋40~44號(hào)橋墩(3聯(lián))結(jié)構(gòu)計(jì)算模型
2.1.1 支座的模擬
因結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較劇烈,為改善結(jié)構(gòu)的抗震性能,支座采用減隔震支座。通過(guò)支座的力學(xué)試驗(yàn)可知,支座在動(dòng)力荷載作用下力和位移的曲線見(jiàn)圖3。
圖3 力和位移的曲線
從圖3可見(jiàn),支座具有非線性性能。其中:QY為屈服剪力;K1為屈前剛度;K2為屈后剛度。采用雙線性模型表達(dá)隔震支座的本構(gòu)關(guān)系,雙線性模型圖見(jiàn)圖4。
圖4 雙線性模型圖
在橋梁的正常運(yùn)營(yíng)情況下,第一剛度K1足以抵抗風(fēng)等水平荷載,支座處于彈性工作階段,保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。在地震作用下,由于支座水平變形較大,超出屈服點(diǎn)后,進(jìn)入第二剛度K2。雙線性模型K1,K2圍成了滯回面,起到了耗能的作用,降低地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用。同時(shí),由于采用橡膠隔震支座,延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的周期。從地震反應(yīng)譜分析,延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)周期,反應(yīng)譜值減小,起到隔震作用。
隔震支座和橋梁支座的雙線性滯回性能采用COMBIN40單元模擬,其單元形式見(jiàn)圖5。
圖5 COMBIN40單元示意
2.1.2 地震參數(shù)的輸入
根據(jù)《安評(píng)報(bào)告》,抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取為兩級(jí)地震水準(zhǔn):50年超越概率10%的地震和50年超越概率2%的地震,作為結(jié)構(gòu)抗震性能研究的設(shè)防水準(zhǔn)。與這兩級(jí)設(shè)防地震相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)為:在50年超越概率10%的地震作用下結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件沒(méi)有損壞;在50年超越概率2%的地震作用下結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重破壞和倒塌。地震動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)
時(shí)程分析時(shí),加速度峰值PGA=Khg。式中:g為重力加速度。
考慮到隔震支座等連接構(gòu)件的非線性特征,為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠,這里采用50年10%地震超越概率進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程分析,檢算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。
地震動(dòng)輸入選取El-centro波和Taft波2組地震波,3分量同時(shí)輸入。將2組分析結(jié)果的平均值作為構(gòu)件強(qiáng)度檢算的依據(jù)。
地震動(dòng)輸入方向的確定,其中水平向2個(gè)分量分別與20,24號(hào)墩連線方向平行(正交),與40,44號(hào)墩連線方向平行(正交)。
對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的控制截面的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行驗(yàn)算。
2.2.1 地震作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算
根據(jù)計(jì)算結(jié)果,將地震力與恒載的組合值對(duì)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度檢算,結(jié)果見(jiàn)表2、表3。
表2 40~44號(hào)墩底截面強(qiáng)度檢算
表3 40~44號(hào)橋墩樁基截面強(qiáng)度檢算
通過(guò)以上檢算結(jié)果可知,40~44號(hào)橋墩與樁基控制截面的組合內(nèi)力均小于相應(yīng)截面的抗彎能力,結(jié)構(gòu)在3向地震作用下均處于彈性工作狀態(tài),不發(fā)生破壞。
2.2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)位移驗(yàn)算
各支座、梁端位移分析結(jié)果見(jiàn)表4、表5。
表4 左幅40~44號(hào)墩支座位移 cm
表5 左幅40~44號(hào)墩結(jié)構(gòu)梁端位移 cm
對(duì)左幅40~44號(hào)墩支座位移和伸縮縫位移進(jìn)行檢算,見(jiàn)表6、表7。
表6 左幅40~44號(hào)墩支座位移檢算 cm
表7 左幅40~44號(hào)墩結(jié)構(gòu)伸縮縫位移檢算cm
由于梁體和墩頂?shù)奈灰品较蛞恢拢咧g的相對(duì)位移量并不大,與隔震支座的極限水平位移比較,可知支座沒(méi)有破壞;同時(shí)根據(jù)比較梁墩相對(duì)位移與構(gòu)造尺寸,可知不會(huì)發(fā)生落梁破壞;44號(hào)墩頂伸縮縫損傷,其余伸縮縫工作正常。
(1)50年10%地震超越概率水平(偶遇地震)下,橋墩與樁基控制截面的組合內(nèi)力均小于相應(yīng)截面的抗彎能力,結(jié)構(gòu)在3向地震作用下均處于彈性工作狀態(tài),未發(fā)生破壞。
(2)50年2%地震超越概率水平(罕遇地震)下,比較隔震支座的極限水平位移,可知支座沒(méi)有破壞;同時(shí)比較梁墩相對(duì)位移與構(gòu)造尺寸可知,結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生落梁破壞;除24,44號(hào)墩處伸縮縫可能發(fā)生損傷之外,其余伸縮縫工作正常。
[1] 范立礎(chǔ),王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2] 陳 虎.橋梁抗震概念設(shè)計(jì)[J].國(guó)外建材科技,2004(2):122-123
[3] 宋曉東,李建中.山區(qū)橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)[J].地震工程與工程振動(dòng),2004(1):92-96.
[4] 蔡 龍,杜宏彪.結(jié)構(gòu)抗震中的概念設(shè)計(jì)[J].結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究應(yīng)用,2007(4):93-94.
[5] 宋曉東,李建中.山區(qū)橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)[J].地震工程與工程振動(dòng),2004,24(1):92-96.