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        高烈度區(qū)風(fēng)情廊橋抗震性能及減隔震設(shè)計分析

        2020-03-01 15:06:03廖宸鋒龍波
        西部交通科技 2020年4期
        關(guān)鍵詞:車行廊橋抗震

        廖宸鋒 龍波

        摘要:文章以東慕大橋為工程背景,分析廊橋與常規(guī)橋梁在動力特性和地震響應(yīng)下的差異,并對該類橋梁的減隔震設(shè)計進行了探討,提出了減隔震設(shè)計的思路。

        關(guān)鍵詞:廊橋;地震作用;減隔震設(shè)計

        中國分類號:U442.5+5文獻標(biāo)識碼:A

        0 引言

        風(fēng)雨橋,又稱廊橋,是少數(shù)民族地區(qū)獨有的一種橋梁建筑,其在廣西也較為流行。

        廊橋?qū)儆谝环N橋梁與建筑結(jié)合的組合結(jié)構(gòu),由于橋梁與建筑本身就存在不同的受力特性,當(dāng)兩者結(jié)合在一起后,結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力就顯得尤為復(fù)雜。目前,對此類結(jié)構(gòu)的抗震性能研究及工程案例也相對較少,抗震規(guī)范也沒有針對這種組合結(jié)構(gòu)的相應(yīng)條款,因此對此類結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能及隔震設(shè)計進行分析研究,具有重要的意義。

        本文以地處7度區(qū)的廣西百色市田陽東慕大橋為工程背景,采用有限元的方法,分析其在地震作用下的動力特性及響應(yīng),以期為今后類似工程抗震設(shè)計提供有益借鑒和參考。

        1 項目概況

        田陽東慕大橋橋長289.02 m,其中主橋長140 m,跨徑布置為4×35 m,采用具有廣西壯族特色的風(fēng)情廊橋結(jié)構(gòu)形式。為減少建筑與橋梁之間的相互影響,東慕大橋主橋在設(shè)計上將橫橋向分為三幅橋,三幅橋之間設(shè)置一定的縫隙,以滿足變形的需求。

        主橋橫橋向中間為車行橋,通行機動車輛,橋?qū)?7 m,其中上部結(jié)構(gòu)采用35 m先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,2#、6#交界墩采用整體式的薄壁墩及承臺基礎(chǔ),3#~5#中間墩采用獨立式的蓋梁柱式墩及承臺基礎(chǔ)。

        主橋橫橋向兩側(cè)為非機動車橋,通行行人與非機動車,橋?qū)?.5 m,并在其上設(shè)置廊建筑,廊建筑總體為兩層,局部加高為三層,左右兩側(cè)非機動車?yán)葮驒M向通過廊結(jié)構(gòu)聯(lián)成整體,并同時滿足中間車行橋通行的凈空要求。由于上部建筑體量較大,為進一步改善上部建筑對橋梁下部結(jié)構(gòu)受力的影響,上部建筑采用鋼框架的結(jié)構(gòu)形式,其中為加強整個建筑結(jié)構(gòu)的剛度,第一層建筑采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式,建筑結(jié)構(gòu)的立柱直接作用于下部橋梁的墩頂上,形成一個建筑與橋梁的組合結(jié)構(gòu)。廊橋2#、6#交界墩為與車行橋共用的整體式的薄壁墩及承臺基礎(chǔ),如下頁圖1所示;3#~5#中間墩采用獨立式的薄壁墩及承臺基礎(chǔ),如下頁圖2所示。

        2 大橋抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及目標(biāo)

        百色市是廣西區(qū)內(nèi)的地震高烈度區(qū),根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),工程項目所在區(qū)域地震基本烈度為7度,地震動峰值加速度為0.10 g,場地特征周期為0.35 s。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166-2011),本項目抗震設(shè)防類別為丁類,采用兩級抗震設(shè)防的設(shè)計方法:

        (1)E1地震作用:結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍,基本無損傷,震后可立即使用。

        (2)E2地震作用:結(jié)構(gòu)不致倒塌。

        大橋采用B類抗震設(shè)計方法,即應(yīng)進行E1地震作用下的抗震分析和抗震驗算,并滿足相關(guān)構(gòu)造和抗震措施的要求。

        3 結(jié)構(gòu)動力特性對比分析

        大橋采用Midas Civil軟件建立三維有限元空間分析模型,如圖3所示。為了準(zhǔn)確模擬下部土層對結(jié)構(gòu)的作用,采用土彈簧模擬土層對基礎(chǔ)的側(cè)向約束。動力分析采用里茲向量法進行分析,并對比廊橋與車行橋的動力反應(yīng)。

        根據(jù)分析結(jié)果,廊橋與車行橋的動力特性對比如表1和表2所示。

        對比廊橋與車行橋的動力分析結(jié)果可知,廊橋由于有上部建筑的相互作用,其動力特性與純粹的車行橋橋梁結(jié)構(gòu)有較大的差別:(1)廊橋較單獨車行橋的頻率要低(約為1/2.13),自振周期較單獨車行橋的要長(約為2.13倍),說明廊橋整體結(jié)構(gòu)剛度相對較小,結(jié)構(gòu)更柔;(2)廊橋與車行橋第一階振型均為下構(gòu)橋墩的縱彎,但又有所不同,其中廊橋為中間4#固定墩的縱彎,車行橋為中間3#、4#活動墩的縱彎,說明車行橋較廊橋整體協(xié)調(diào)受力性能更好,且廊橋位移變化較車行橋大得多,說明上部建筑結(jié)構(gòu)體量較大的恒載對橋梁下部結(jié)構(gòu)受力更為不利;(3)廊橋的耦合振動出現(xiàn)在第6階,說明地震時廊橋耦合震顫的可能性大大降低。

        4 地震響應(yīng)對比分析

        根據(jù)前述模型,本節(jié)采用反應(yīng)譜法,考慮水平方向的地震作用,并采用SRSS法組合,重點對比廊橋與車行橋的下部橋墩在地震作用下的受力情況。

        通過分析,廊橋與車行橋的受力結(jié)果如表3~4所示(限于篇幅,本文僅給出廊橋與車行橋在地震荷載作用下的最不利響應(yīng))。

        由表3的分析結(jié)果可知,由于4#墩為廊橋的固定墩,因此4#墩在E1縱向地震作用下的彎矩較其他橋墩大;同時由表3與表4的結(jié)果對比可知,廊橋橋墩最不利彎矩比車行橋的大很多,說明橋梁的上部荷載的大小對橋梁下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響較大。

        5 廊橋的減隔震設(shè)計分析

        由前述動力特性及地震響應(yīng)分析可知,廊橋的下部結(jié)構(gòu)受力較單獨的車行橋更為復(fù)雜,在地震作用下其響應(yīng)也更大,使得上部建筑鋼結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的橋墩等下構(gòu)設(shè)計都很困難。為進一步改善橋墩的受力,降低其對地震的響應(yīng),進行減隔震設(shè)計是很有必要的。

        根據(jù)大橋靜力結(jié)算結(jié)果并結(jié)合本橋的抗震等級要求,文中采用兩種支座方案進行對比分析,方案一為采用常規(guī)的盆式支座,方案二為在交界墩采用水平力分散支座(如圖4所示)。

        經(jīng)過分析,其結(jié)果對比如表5所示(限于篇幅,本文只給出廊橋下構(gòu)中控制設(shè)計的中間4#固定墩的計算結(jié)果)。

        由表5可知,在交界墩處采用水平力分散支座設(shè)計后,4#固定墩的縱向彎矩由19 784.5 kN·m降到11 321.3 kN·m,降幅為42.8%,橫向彎矩由17 088.2 kN·m降到16 381.5 kN·m,降幅為4.1%;整體結(jié)構(gòu)的自振頻率也由0.191 Hz提高到0.284 Hz。

        6 結(jié)語

        本文通過對百色田陽東慕大橋的分析研究,可以得出以下結(jié)論:

        (1)廊橋由于上部建筑與橋梁的相互作用,結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜,上部建筑恒載對下部橋墩的受力影響較大,設(shè)計時應(yīng)重點考慮橋墩的選型及設(shè)計,并盡量減少上部建筑的層數(shù),以減少整體結(jié)構(gòu)的恒載。

        (2)在廊橋設(shè)計中,上下部結(jié)構(gòu)的連接采用減隔震設(shè)計,可有效改善其受力。在實際設(shè)計中可采用增加縱向水平約束的方式來減小固定墩的地震響應(yīng),降低固定墩的設(shè)計難度和提高結(jié)構(gòu)的安全。

        參考文獻:

        [1]張小坤.高烈度地震區(qū)的橋梁設(shè)計研究[J].鐵道工程學(xué)報,2009,26(4):31-34,61.

        [2]陳 龍.鋼筋混凝土拱式廊橋動力特性與地震響應(yīng)研究[D].成都:西華大學(xué),2016.

        [3]CJJ166-2011,城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范[S].

        [4]GB18306-2015,中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S].

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