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      雙層高架橋門式墩與獨柱墩抗震性能比較分析

      2015-01-09 01:07:32魯傳安
      城市道橋與防洪 2015年5期
      關(guān)鍵詞:獨柱墩門式雙層

      魯傳安

      (上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市200092)

      1 概述

      近年來我國經(jīng)濟得到了迅猛發(fā)展,城市土地資源的稀缺及橋梁建設(shè)用地的緊張日顯突出。為了在有限的土地資源上極大地提高城市交通的使用效率、改善橋梁通行條件,雙層高架橋便應(yīng)運而生,其中以上層市政高架道路下層軌道交通的雙層高架應(yīng)用越來越廣泛[1]。雙層高架橋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,震害與一般高架有所不同。在1989年洛馬普里埃塔(Loma Prieta)地震中,美國舊金山海灣地區(qū)的雙層高架橋大多出現(xiàn)了損傷,其中賽普拉斯(Cypress)雙層高架橋的倒塌造成了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。從而引起了廣大學者對雙層高架橋抗震性能研究的重視,也取得了一定的研究成果[2]、[3]。

      本文基于國內(nèi)某工程實例,針對上層公路下層軌道交通的雙層高架橋進行分析。該工程采用橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)簡支箱梁結(jié)構(gòu),其中以混凝土箱梁為主,輔以跨路口的大跨徑鋼砼疊合箱梁。上層橋?qū)?8 m,下層軌道交通單線寬4.3 m,雙線寬8 m,標準跨徑為30 m、35 m及40 m三種。下部結(jié)構(gòu)采用門式墩和獨柱墩兩種形式,基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。典型獨柱墩及門式墩立面布置圖如圖1、圖2所示。本文橋墩采用延性抗震設(shè)計方法,即墩柱按延性構(gòu)件設(shè)計,橫梁、塑性鉸區(qū)抗剪及樁基礎(chǔ)按能力保護構(gòu)件設(shè)計。

      圖1 門式墩立面布置圖

      2 動力計算模型及動力特性

      2.1 動力計算模型

      圖2 獨柱墩立面布置圖

      為了研究比較兩種橋墩的抗震性能,分別選取兩聯(lián)標準跨徑為40 m且為標準寬度的橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震分析,同時為了考慮相鄰結(jié)構(gòu)的影響,建模時將相鄰橋跨也一并模擬,兩個模型選取的墩柱總高度也基本一致,在25 m~29 m之間。

      主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬。在支座模擬時,將彈性支座處理為主梁和墩頂采用彈簧單元模擬,由于主梁和墩頂之間每排均設(shè)有多個支座,在模型中均進行了適當?shù)暮喜?。在地震反?yīng)分析中,考慮到樁基礎(chǔ)的剛度和土層的特性對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響,橋梁樁基礎(chǔ)通過在承臺底部加上六個方向的彈簧來模擬樁基礎(chǔ)的作用。為了能更真實模擬實際情況,建模過程中考慮了上層橋面連續(xù)部分的影響,而下層是軌道交通,建模時把軌道對主粱的連接作用也考慮進去。門式墩及獨柱墩動力計算模型分別如圖3、圖4所示。

      圖3 門式墩動力計算模型

      圖4 獨柱墩動力計算模型

      2.2 動力特性

      分析和認識橋梁的動力特性是進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究的基礎(chǔ),根據(jù)圖3、圖4的動力計算模型,對兩種橋墩結(jié)構(gòu)模型進行動力特性分析,結(jié)果如表1所列。

      由表1可知,兩個模型的第一階振型均為縱飄,表明縱向剛度均較橫向剛度小。而門式墩模型第一階振型周期短于獨柱墩,說明門式墩縱向剛度大于獨柱墩。其次,門式墩模型第一階橫向振型出現(xiàn)在第7階,獨柱墩模型第一階橫向振型出現(xiàn)在第3階,可見門式墩橫向剛度更大。

      3 反應(yīng)譜分析

      在前述動力特性分析所采用的結(jié)構(gòu)有限元模型中,分別輸入50 a10%超越概率(相當于E1地震)及50 a3%超越概率(相當于E2地震)、阻尼比為5%的場地加速度反應(yīng)譜,反應(yīng)譜見圖5所示。輸入方向組合分別為:縱向+豎向和橫向+豎向。計算結(jié)果取前300階進行組合,組合方式為CQC組合,計算結(jié)果匯于表2~表5。

      表1 結(jié)構(gòu)的動力特性表

      圖5 地震影響系數(shù)反應(yīng)譜圖示

      由表2~表5可知,橫梁地震反應(yīng)門式墩均大于獨柱墩,特別是橫向地震反應(yīng)門式墩遠大于獨柱墩,門式墩剪力效應(yīng)一般都大于獨柱墩,而彎矩效應(yīng)則是除上層柱頂位置外,其余均是門式墩縱向大,獨柱墩橫向大??梢?,大部分的地震反應(yīng)均是門式墩較獨柱墩大。兩者上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量一致,而且墩柱高度也接近。造成這一現(xiàn)象的主要原因是兩者動力特性差異。由前述動力特性可知,門式墩周期要低于獨柱墩,對應(yīng)的反應(yīng)譜值則是門式墩大,從而地震反應(yīng)也相應(yīng)較大。獨柱墩下柱和上柱底彎矩較大的原因,則是獨柱墩為靜定體系,橫向受力主要由立柱承擔,門式墩則由于本身的框架體系,橫向受力由立柱和橫梁共同承擔。

      表2 墩柱E1地震反應(yīng)一覽表(50 a10%)

      表3 墩柱E2地震反應(yīng)一覽表(50 a3%)

      表4 橫梁E1地震反應(yīng)一覽表(50 a10%)

      表5 橫梁E2地震反應(yīng)一覽表(50 a3%)

      根據(jù)抗震規(guī)范對關(guān)鍵截面強度進行驗算,結(jié)果表明,在E1地震作用下,獨柱墩墩身、樁基礎(chǔ)滿足強度抗震要求。在E2地震作用下,橫橋向獨柱墩墩底發(fā)生屈服。橋墩上、下橫梁滿足強度抗震要求;門式墩下層柱底、上層柱頂?shù)捉孛嬖谒疁蔈I地震作用下,橫向抗彎能力已不能滿足需求,在E2地震作用下,除上層柱頂截面縱向未屈服以外,其余均進入屈服狀態(tài)。樁基礎(chǔ)在E1地震作用下強度滿足要求。門式墩的上下橫梁強度滿足抗震要求。

      4 非線性時程分析

      根據(jù)反應(yīng)譜的分析結(jié)果,可以知道在E2地震下大部分墩柱發(fā)生損傷。因此,為了確保在該水準地震作用下,各構(gòu)件滿足預(yù)期的抗震性能要求,尤其是墩柱進入損傷后的延性變形情況,需采用非線性時程分析方法進行分析。

      在時程計算中,墩、柱的非線性特性通過采用集中塑性鉸梁單元模擬。在每個墩的屈服位置設(shè)置一個塑性鉸。塑性鉸的參數(shù)根據(jù)墩、柱的截面的實際配筋情況計算的彎矩-曲率關(guān)系來確定。

      時程分析的地震輸入組合為縱向+豎向和橫向+豎向,豎向加速度取為橫向或者縱向的0.5,考慮到地震動的隨機性,對符合概率水準的六條地震波進行了計算,取其平均值作為時程計算的結(jié)果。同時,對塑性鉸變形、塑性鉸區(qū)域抗剪及樁基進行驗算,表6、表7有代表性地列出了E2地震下墩底截面塑性鉸地震響應(yīng)及驗算結(jié)果。門式墩其余位置塑性鉸驗算及樁基驗算結(jié)果限于篇幅未列出。

      表6 E2地震墩底截面塑性鉸轉(zhuǎn)角能力驗算結(jié)果表(單位:rad)

      表7 E2地震墩底截面塑性鉸位置抗剪能力驗算結(jié)果表(單位:kN)

      通過表6、表7所列的驗算結(jié)果可知,在反應(yīng)譜分析發(fā)生屈服的橋墩墩柱,發(fā)生的最大塑性轉(zhuǎn)角小于容許的塑性轉(zhuǎn)角,表明變形是滿足要求的。塑性鉸位置的墩身抗剪能力都滿足抗震要求。門式墩與獨柱墩墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角變形及剪力基本接近,說明屈服后兩者墩底性能基本一致。根據(jù)樁基礎(chǔ)驗算結(jié)果,在E2地震下橫橋向,兩種橋墩樁基均發(fā)生屈服,不能滿足能力保護構(gòu)件設(shè)計要求,需要加強樁基礎(chǔ)設(shè)計。

      5 結(jié)論

      通過以上分析,可以得到以下主要結(jié)論:

      (1)兩種橋墩的動力計算模型第一階振型均是主梁的縱飄振型,但是門式墩模型周期較獨柱墩短,且門式墩橫向振型出現(xiàn)階數(shù)較高。

      (2)門式墩和獨柱墩上下橫梁均未發(fā)生損傷進入屈服狀態(tài),說明橫梁設(shè)計符合能力保護構(gòu)件設(shè)計要求。

      (3)反應(yīng)譜分析地震反應(yīng),總體上門式墩比獨柱墩大。獨柱墩立柱在E1地震作用下仍處于彈性狀態(tài),在E2地震下僅墩底發(fā)生屈服;門式墩立柱部分關(guān)鍵截面在E1地震下已發(fā)生損傷,在E2地震下,除上層柱頂縱向未屈服以外,其余均發(fā)生屈服。

      (4)非線性時程分析表明,兩種橋墩的塑性鉸轉(zhuǎn)角變形及抗剪性能比較接近,且均能滿足抗震要求。

      [1]孫建淵,陳階亮.城市橋梁雙層交通的概念設(shè)計[J].橋梁建設(shè),2006,(2):39-42.

      [2]張潔,李建中,管仲國.雙層高架橋擬靜力實驗研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2012,28(6):128-133.

      [3]彭天波,李建中,范立礎(chǔ).能力設(shè)計方法在雙層高架橋梁抗震設(shè)計中的應(yīng)用[J].世界橋梁,2009,(1):12-15.

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