孫 兵
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市200092)
本文以某高架建設(shè)工程為實(shí)例進(jìn)行分析,高架主線道路等級(jí)為城市主干路,雙向六車道。高架全長(zhǎng)約2.95 km,道路為東西走向。在XP42~XP45墩之間有古城墻保護(hù)遺址即永安堡遺址,橋墩布置應(yīng)避開遺址保護(hù)區(qū)域,同時(shí)也要避開既有的防洪涵,因此橋墩布置偏離道路中心線。工程所處位置建設(shè)環(huán)境比較復(fù)雜,橋下立墩條件較差,抗震設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。橋墩布置偏離道路中心線,導(dǎo)致兩側(cè)墩柱受力差別較大。雙柱偏心墩如圖1所示,左側(cè)墩柱距道路中心線4.7m,右側(cè)橋墩距道路中心線9.3m。
本文對(duì)該工程中比較有代表性的一聯(lián)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。跨徑布置為3×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁,橋?qū)?1.5m。下部橋墩為雙柱偏心墩,如圖2所示。
為了研究雙柱偏心墩的抗震力學(xué)性能,利用midas Civil建立空間有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿P?。在模型中,主梁、橋墩和承臺(tái)采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;考慮到樁土相互作用,群樁基礎(chǔ)采用6×6彈簧模擬樁基礎(chǔ)的剛度[4],將6×6彈簧剛度指定到相應(yīng)的承臺(tái)底節(jié)點(diǎn);支座為摩擦擺減隔震支座,在結(jié)構(gòu)分析中,采用一般連接模擬支座的雙線性力學(xué)特性。計(jì)算模型如圖3所示。
圖1 XP42 墩雙柱偏心墩構(gòu)造圖(單位:m)
圖2 3×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁(單位:m)
圖3 3×30 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁m idas Civil 空間計(jì)算模型
根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)[1]規(guī)定,減隔震抗震體系可只進(jìn)行E2地震作用下的抗震性能分析,因此本文只進(jìn)行E2狀態(tài)下橋墩和樁基礎(chǔ)的縱橫向地震響應(yīng)的計(jì)算分析。
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(2016年版)》(GB 50011—2010)[2]附錄A,擬建場(chǎng)地的抗震設(shè)防烈度為8度,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.20g,設(shè)計(jì)地震分組為第二組。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)[3],確定反映譜特征周期為0.55 s。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)[1]第4章,結(jié)合剪切波速測(cè)試資料及區(qū)域地質(zhì)資料,綜合確定該橋擬建場(chǎng)地的場(chǎng)地土類型為中軟土,工程場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)[1]表3.1.1,結(jié)合該橋的實(shí)際情況,綜合確定該橋的抗震設(shè)防分類為乙類。
該橋進(jìn)行分析的E2地震作用下反應(yīng)譜曲線和地震動(dòng)加速度時(shí)程分別如圖4、圖5所示。E2地震作用下采用非線性時(shí)程分析[5],分析結(jié)果取七條地震動(dòng)加速度時(shí)程結(jié)果的平均值。圖5僅示出一條地震動(dòng)加速度時(shí)程的曲線。E2地震作用下的反應(yīng)譜曲線根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 166—2011)[1]得到。E2地震作用下地震動(dòng)加速度時(shí)程由E2地震作用下的反應(yīng)譜擬合得到。
圖4 E2 地震作用下反應(yīng)譜曲線
圖5 E2 地震作用下地震動(dòng)加速度時(shí)程
利用midas Civil對(duì)該橋進(jìn)行E2地震作用下非線性時(shí)程分析,得到承臺(tái)底的縱橋向和橫橋向地震響應(yīng),見表1、表2。
表1 E2 地震作用下縱橋向承臺(tái)底地震響應(yīng)
表2 E2 地震作用下橫橋向承臺(tái)底地震響應(yīng)
表1、表2中L表示左側(cè)靠近道路中心線橋墩,R表示右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩。從表1、表2地震作用下承臺(tái)底地震響應(yīng)可以看出,縱橋向左側(cè)橋墩承臺(tái)底軸力、剪力和彎矩比右側(cè)橋墩承臺(tái)底相應(yīng)地震響應(yīng)大,橫橋向左側(cè)橋墩承臺(tái)剪力和彎矩比右側(cè)橋墩承臺(tái)底相應(yīng)地震響應(yīng)大,橫橋向左右兩側(cè)橋墩軸力響應(yīng)差別較小。這表明由于雙柱偏心墩的雙柱相對(duì)于道路中心線不對(duì)稱,存在偏心,導(dǎo)致雙柱的地震響應(yīng)出現(xiàn)巨大差異,靠近道路中心線側(cè)的橋墩受力極為不利。因此應(yīng)對(duì)靠近道路中心線側(cè)的橋墩和樁基進(jìn)行較高等級(jí)的抗震措施設(shè)計(jì),以滿足結(jié)構(gòu)安全性的要求,相應(yīng)遠(yuǎn)離道路中心線側(cè)的橋墩和樁基采用相對(duì)較低等級(jí)的抗震措施,以同時(shí)滿足安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。
利用midas Civil對(duì)該橋進(jìn)行E2地震作用下非線性時(shí)程分析,得到雙柱偏心墩墩底的縱橋向和橫橋向地震響應(yīng),見表3、表4。
表3、表4中L表示左側(cè)靠近道路中心線橋墩,R表示右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩。從表3、表4地震作用下雙柱偏心墩墩底地震響應(yīng)可以看出,縱橋向墩底軸力不是特別大,但是橫橋向墩底軸
表3 E2 地震作用下縱橋向雙柱偏心墩墩底地震響應(yīng)
表4 E2 地震作用下橫橋向雙柱偏心墩墩底地震響應(yīng)
力比較大。這表明由于雙柱偏心墩偏離道路中心線,兩側(cè)橋墩的不對(duì)稱導(dǎo)致橫橋向橋墩地震軸力較大,因此雙柱偏心墩橋墩橫橋向受力較為不利??v橋向左側(cè)橋墩墩底軸力、剪力和彎矩比右側(cè)橋墩墩底相應(yīng)地震響應(yīng)大,橫橋向左側(cè)橋墩墩底地震響應(yīng)和右側(cè)橋墩墩底相應(yīng)地震響應(yīng)相比差別不大。因此縱橋向橋墩抗震措施應(yīng)分別設(shè)計(jì),橫橋向橋墩抗震措施可采用相同的設(shè)計(jì),以滿足對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。
由2.2節(jié)中得到的承臺(tái)底地震響應(yīng),利用承臺(tái)底的內(nèi)力來計(jì)算得到單樁的最不利地震響應(yīng)。單樁最不利地震響應(yīng)見表5、表6。
表5、表6中L表示左側(cè)靠近道路中心線橋墩,R表示右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩。從表5、表6地震作用下雙柱偏心墩樁基地震響應(yīng)可以看出,縱橋向樁基軸力很大,但是橫橋向樁基軸力不是很大。這表明雙柱偏心墩樁基縱向地震軸力較為不利??v橋向左側(cè)橋墩樁基軸力、剪力和彎矩比右側(cè)橋墩樁基相應(yīng)地震響應(yīng)大,橫橋向左側(cè)橋墩樁基地震響應(yīng)和右側(cè)橋墩樁基相應(yīng)地震響應(yīng)相比差別不大。因此縱橋向兩側(cè)橋墩樁基抗震措施應(yīng)分別設(shè)計(jì),橫橋向兩側(cè)橋墩樁基抗震措施可采用相同的設(shè)計(jì)。
表5 E2 地震作用下縱橋向雙柱偏心墩樁基地震響應(yīng)
表6 E2 地震作用下橫橋向雙柱偏心墩樁基地震響應(yīng)
經(jīng)過對(duì)雙柱偏心墩進(jìn)行建模分析并對(duì)其橋墩墩底和樁基地震響應(yīng)進(jìn)行分析,可以得出以下結(jié)論:
(1)雙柱偏心墩雙柱對(duì)于道路中心的不對(duì)稱,導(dǎo)致左右兩側(cè)立柱出現(xiàn)了地震響應(yīng)的巨大差異。
(2)從承臺(tái)底的地震響應(yīng)可以看出,左側(cè)靠近道路中心線橋墩比右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩受力較為不利,縱橫向承臺(tái)底地震彎矩相差不大。
(3)從橋墩墩底地震響應(yīng)可以看出,縱橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩墩底地震響應(yīng)比右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩墩底地震響應(yīng)大,橫橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩墩底地震響應(yīng)和右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩墩底地震響應(yīng)相比差別不大。
(4)從樁基地震響應(yīng)可以看出,縱橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩樁基地震響應(yīng)比右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩樁基地震響應(yīng)大,橫橋向左側(cè)靠近道路中心線橋墩樁基地震響應(yīng)和右側(cè)遠(yuǎn)離道路中心線橋墩樁基地震響應(yīng)相比差別不大。
綜上,左右兩側(cè)橋墩應(yīng)該分別進(jìn)行抗震措施的設(shè)計(jì),靠近道路中心線橋墩和樁基應(yīng)采取較高等級(jí)的抗震措施,遠(yuǎn)離道路中心線橋墩和樁基應(yīng)采取相對(duì)較低等級(jí)的抗震措施,以滿足對(duì)結(jié)構(gòu)安全性和經(jīng)濟(jì)性的要求。