墩底隔震橋梁設(shè)計(jì)方法研究

關(guān)青鋒 陳逸彬 孫培揚(yáng)

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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墩底隔震橋梁設(shè)計(jì)方法研究

關(guān)青鋒 陳逸彬 孫培揚(yáng)

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

從橋梁震后可修復(fù)性理念出發(fā)，提出了一種墩底隔震的彎橋結(jié)構(gòu)體系，以某高架彎橋?yàn)槔?，探討了新型結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)原則，并進(jìn)行了數(shù)值分析，論證了墩底隔震體系比傳統(tǒng)墩頂隔震體系具有的較優(yōu)性能。

墩底隔震，高橋彎橋，擋塊，最大彎矩

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，日本、智利等均發(fā)生了多次大地震，橋梁、房屋等建筑結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，短時(shí)間內(nèi)難以修復(fù)，導(dǎo)致抗震救災(zāi)工作受到極大阻礙，間接造成更多人民傷亡和難以估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失?；诖?，國(guó)內(nèi)外工程專家開始重新審視橋梁抗震設(shè)計(jì)理念，并逐漸從延性抗震設(shè)計(jì)向減隔震設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變[1]?，F(xiàn)階段，橋梁常見(jiàn)的減隔震設(shè)計(jì)方法是采用墩頂隔震體系，墩底減隔震體系則極少采用，這是由傳統(tǒng)橋梁施工工藝決定的。本文提出在橋墩底部設(shè)置減隔震支座的結(jié)構(gòu)形式，這符合可修復(fù)抗震設(shè)計(jì)理念，同時(shí)橋承臺(tái)可提供維護(hù)平臺(tái)，便于震后支座替換。日本的Benten高架橋在1995年阪神—淡路大地震后，采用墩底隔震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行重建，其框架式雙柱墩和鋼梁固結(jié)，顯著的改善了整體性和抗震性[2]。燕斌等以某大跨連續(xù)剛橋?yàn)槔?，開發(fā)了在承臺(tái)內(nèi)部設(shè)置隔震支座的墩底隔震體系，極大降低了橋梁上下部結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)需求[3]。

從墩底設(shè)置隔震支座的優(yōu)點(diǎn)、可修復(fù)抗震設(shè)計(jì)理念出發(fā)，本文擬提出一種墩底隔震的彎橋梁結(jié)構(gòu)體系。該體系有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)內(nèi)力反應(yīng)減小,墩頂與墩底間的相對(duì)變形減小,橋墩和基礎(chǔ)會(huì)得到更有效的保護(hù)；2)橋墩與梁體固結(jié)，體系整體性更好，且本身體系為彎橋，相對(duì)于直橋，具有更佳的橫向抗傾覆性，不易發(fā)生落梁事故；3)結(jié)構(gòu)的震后修復(fù)性更強(qiáng)；4)由于支座放置在承臺(tái)上，這就使橋梁上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)分開，當(dāng)橋梁受到地震波激勵(lì)時(shí)，橋墩傳遞到承臺(tái)的內(nèi)力將極大降低，這大大降低了橋梁對(duì)基礎(chǔ)的能力需求，提高了下部結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性。

下文實(shí)例中將對(duì)第4)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 墩底隔震彎橋結(jié)構(gòu)體系

1.1 體系設(shè)計(jì)原則

墩底隔震體系把支座放在墩底，上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)和承臺(tái)基礎(chǔ)分開，在振動(dòng)時(shí)全橋的相對(duì)位移都將集中于隔震支座處。為了保證該新型體系的整體結(jié)構(gòu)幾何穩(wěn)定性和橫向抗傾覆穩(wěn)定性，應(yīng)令橋梁在結(jié)構(gòu)形式上符合以下理論原則：1)墩梁固結(jié)；2)橫橋向采用框架結(jié)構(gòu)形式；3)隔震支座設(shè)置原則；4)中間墩和過(guò)渡墩支座區(qū)別設(shè)置原則；5)抗震擋塊設(shè)置。

1.2 結(jié)構(gòu)體系

以上述分析為依據(jù)，本文提出如圖1所示的墩底隔震體系。該體系中間墩墩梁固結(jié)，墩底與承臺(tái)上平面以隔震支座相連，過(guò)渡墩墩頂?shù)奶幚矸绞脚c墩頂隔震體系相同，且其墩底與承臺(tái)固結(jié)。橋墩設(shè)置為雙柱墩，為框架結(jié)構(gòu)形式。支座處采用承臺(tái)擋塊方式，以限制支座過(guò)大的位移。

1.3 抗震擋塊

采用墩底隔震體系時(shí)，墩底的位移限制是一個(gè)必須考慮的問(wèn)題，本文認(rèn)為可以通過(guò)下面兩種辦法進(jìn)行處理：

1)將拉索支座[4]設(shè)置在墩底。拉索支座具有抗剪螺栓，能夠通過(guò)自身彈性變形來(lái)抵抗墩底過(guò)大位移，而不使橋墩產(chǎn)生過(guò)大內(nèi)力，即使拉索被拉緊至彈性極限，仍能憑強(qiáng)度限制位移。

2)以類似于蓋梁擋塊的做法，在承臺(tái)上設(shè)置雙向擋塊(如圖2所示)或者環(huán)形擋塊(如圖3所示)。

擋塊的限位緩沖距離和拉索支座的自由行程的設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮橋梁的溫度變形程度，其中主要指標(biāo)是梁體在溫度變化作用下的伸縮量，在溫度變化影響下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的伸縮量可由以下公式[5]計(jì)算：

Δl=αclΔt

(1)

其中，αc為混凝土材料線膨脹系數(shù)，取0.000 01；l為一聯(lián)梁長(zhǎng)度；Δt為梁體溫差。設(shè)梁體長(zhǎng)度l=1 000 m,Δt=20 ℃則Δl=10 cm，該擋塊間隙為可接受數(shù)值。

2 算例分析

2.1 某高架彎橋體系

本文選取某(9×31)m連續(xù)彎橋?yàn)楣こ虒?shí)例(如圖4所示)，主梁高25.5 m，高2 m，為單箱多室常截面，梁體曲率半徑取500 m[6](如圖5所示)，過(guò)渡墩尺寸為1.6 m×1.7 m，中間墩為1.8 m×2 m。采用摩擦擺減隔震支座[7]。墩底隔震體系和墩頂隔震體系所采用的各支座參數(shù)如表1所示，支座屈服位移均取0.002 m，屈前屈后比為0.01。

表1 墩頂和墩底體系隔震支座參數(shù)

位置墩底隔震體系墩頂隔震體系恒載反力kN屈前剛度kN/m屈服力恒載反力kN屈前剛度kN/m屈服力kN中間墩4030.79740307.9780.615943933.36539333.6578.6673過(guò)渡墩10416.317104163.2208.326311431.222114312.2228.6244

2.2 擋塊設(shè)置

如圖4所示模型的梁體總長(zhǎng)為279 m，根據(jù)式(1)，假設(shè)溫差為20 ℃，則49號(hào)墩、58號(hào)墩所產(chǎn)生的伸縮量為27.9 mm。該值較小，擋塊限位緩沖距離或拉索支座自由行程按支座位移計(jì)算取用已能滿足要求，因此本文模型例子無(wú)須考慮溫度變形對(duì)橋墩位移的要求。

2.3 建立模型

基于Sap2000軟件，建立兩種隔震體系的彎橋模型，所有剛性連接均用剛臂模擬,對(duì)P-Delta效應(yīng)不做考慮。墩頂隔震體系和墩底隔震體系模型的第一階自振周期分別為1.174 s和1.13 s，根據(jù)第一階周期T1和0.1T1，設(shè)定體系的阻尼比為0.05。

2.4 地震波

根據(jù)該橋的安評(píng)報(bào)告，選取 3條和設(shè)計(jì)反應(yīng)譜非常吻合的E2水準(zhǔn)地震波作為地震動(dòng)輸入。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 承臺(tái)底彎矩

縱橋向上，兩種體系的兩端過(guò)渡墩彎矩值相差無(wú)幾，而墩底隔震體系中間墩傳遞到承臺(tái)的彎矩大幅度降低。相比于彎橋墩頂隔震體系，墩底體系的承臺(tái)最大彎矩降幅高達(dá)74.3%(P50號(hào)墩)，除了兩端過(guò)渡墩(P49號(hào)與P58號(hào))，彎橋墩底體系的承臺(tái)最大彎矩值降幅平均為72.8%。橫橋向上，墩底體系的中間墩承臺(tái)最大彎矩值同樣得以降低，最大降幅為23.6%(P57號(hào)墩)，平均降幅為19.2%。彎橋承臺(tái)底最大彎矩見(jiàn)圖6。

這一現(xiàn)象說(shuō)明了墩底體系對(duì)承臺(tái)、樁基的地震動(dòng)需求將比墩頂體系小得多，同時(shí)驗(yàn)證了本文引言部分的預(yù)測(cè)。

3.2 橋墩最大彎矩

縱橋向，墩底隔震體系中間墩的橋墩最大彎矩比傳統(tǒng)體系基本均小10%左右。而在橫橋向激勵(lì)時(shí)，橋墩橫向框架結(jié)構(gòu)的剛度較大，高階振型貢獻(xiàn)都比較小，所以兩種隔震體系的橋墩最大彎矩基本一致。彎橋橋墩最大彎矩見(jiàn)圖7。

3.3 最大支座位移

橫橋向過(guò)渡墩支座位移比傳統(tǒng)體系略大(P49號(hào)墩大11.1%)，中間墩的支座位移相近(最大相差2.04%，P55號(hào)墩)。因墩底隔震體系中橋梁成一體的框架結(jié)構(gòu)，具備更好的穩(wěn)定性，故所有縱橋向的支座位移比傳統(tǒng)體系小。整體而言，墩底隔震體系與墩頂隔震體系的支座位移比較接近，沒(méi)有明顯的增大。彎橋最大支座位移見(jiàn)圖8。

綜上分析，墩底隔震體系比傳統(tǒng)墩頂隔震體系具有較優(yōu)性能，對(duì)各部分結(jié)構(gòu)地震動(dòng)需求普遍較低。

4 結(jié)語(yǔ)

從橋梁震后可修復(fù)性理念出發(fā)，本文提出了一種針對(duì)彎橋的墩底隔震體系，并以某城市高架連續(xù)梁彎橋?yàn)槔?，討論了新型結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了數(shù)值分析，最終得出以下結(jié)論：1)彎橋墩底隔震體系整體性好，便于震后修復(fù)，不易發(fā)生傾覆或落梁，同時(shí)彎曲的形狀能為城市交通設(shè)計(jì)提供更大的考慮空間；2)相比于墩頂隔震體系，新型體系支座最大位移略增大，但不明顯，在橫橋向上兩者具有較高的一致性；墩底體系的縱向橋墩最大彎矩降低11%，橫橋向與墩頂體系基本相同；墩底體系的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在承臺(tái)彎矩上——在地震作用下，墩底體系的縱橋向承臺(tái)最大彎矩比墩頂體系低74%，這無(wú)疑極大地降低了橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)承臺(tái)、樁基的地震動(dòng)需求，使得基礎(chǔ)部分經(jīng)濟(jì)性大大提升。

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On bridge design methods for pier bottom seismic isolation

Guan Qingfeng Chen Yibin Sun Peiyang

(CollegeofCivilEngineering,GuangzhouUniversity,Guangzhou510006,China)

From the maintainable repair theory of the bridges after the earthquakes,the paper puts forward the bended bridge structure system of the pier bottom seismic isolation,explore the design principle for the new structural system,undertakes the numeric analysis,and proves the pier bottom seismic isolation is superior to the traditional seismic isolation system.

pier bottom seismic isolation,bended bridge,stop piece,maximal moment

1009-6825(2016)29-0179-03

2016-08-01

關(guān)青鋒(1995- )，男，在讀本科生

U441.3

A