高烈度區(qū)簡(jiǎn)支變連續(xù)梁橋抗震性能研究

蔣興明

(新疆交通建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830021)

0 引言

地震是一種突發(fā)性的危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全的自然災(zāi)害，而我國(guó)位于世界兩大地震帶之間[1]，屬于世界上地震多發(fā)地國(guó)家。隨著我國(guó)交通事業(yè)的飛速發(fā)展，高烈度地震區(qū)高墩橋梁的建設(shè)也在逐漸增多，橋梁作為交通的生命線(xiàn)[2]，橋梁抗震問(wèn)題亦成為制約這些高烈度地區(qū)交通事業(yè)發(fā)展的難題。本文以一座位于8度烈度地區(qū)的預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支變連續(xù)箱橋梁為例，進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析，研究高烈度地區(qū)連續(xù)梁橋的抗震性能[3]。

1 工程背景

該橋上部結(jié)構(gòu)采用7×(4×30)m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)梁，橋梁全長(zhǎng)847 m，橋梁正寬14 m，全幅采用4片預(yù)制梁，梁高160 cm。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩、薄壁式墩，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)；基礎(chǔ)分別為擴(kuò)大基礎(chǔ)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋址處水平向地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，地震基本烈度為Ⅷ度，屬于強(qiáng)震區(qū)，抗震設(shè)防等級(jí)9度。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)[4]，本橋抗震設(shè)防類(lèi)別為B類(lèi)。該橋橋墩高度多為40 m左右，屬于高墩橋梁，本文選取橋墩最高的一聯(lián)作為研究對(duì)象，橋型布置圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 計(jì)算模型

本文選用橋墩最高的一聯(lián)作為研究對(duì)象，采用通用有限元分析軟件CSIBridge建立有限元模型，主梁采用C50混凝土，橋墩、蓋梁采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)、承臺(tái)采用C30混凝土，計(jì)算模型的梁體和墩柱采用空間梁?jiǎn)卧M，二期鋪裝采用線(xiàn)荷載進(jìn)行模擬，作用于主梁上，墩柱和梁體的單元?jiǎng)澐址从辰Y(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力特性；混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05；支座單元正確反映支座的力學(xué)特性。

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)[4]，該橋抗震級(jí)別較高，采用“非線(xiàn)性動(dòng)力時(shí)程分析方法”進(jìn)行橋梁減隔震動(dòng)力分析[4]，采用瑞利阻尼。

為研究樁基的樁-土結(jié)構(gòu)作用對(duì)連續(xù)梁橋抗震性能的影響，本文分別建立了兩個(gè)有限元模型：模型A不考慮樁-土相互作用，如圖2所示；模型B考慮樁-土相互作用，將樁基離散成684個(gè)單元，在樁基側(cè)向施加土彈簧采用土彈簧模擬，土彈簧剛度采用“m”法確定[6]，墩底固結(jié)，如圖3所示。

圖2 模型A圖

圖3 模型B圖

3 振型結(jié)果分析

橋梁動(dòng)力特性分析是研究橋梁抗震的基礎(chǔ)[6]，取該橋前200階振型進(jìn)行迭代計(jì)算，并進(jìn)行自振特性的分析。如下表1分別列出了模型A和模型B的前五階頻率和振型。

表1 自振振型分析結(jié)果表

由表1可以得出：

(1)全橋的振動(dòng)形式以順橋向、橫橋向振動(dòng)為主，第一階振動(dòng)為橫橋向偏移，說(shuō)明橋梁整體橫向剛度較弱，應(yīng)加強(qiáng)橋梁橫向約束。

(2)模型A的振動(dòng)頻率高于模型B，說(shuō)明考慮樁-土相互作用使結(jié)構(gòu)整體變?nèi)?、自振周期變長(zhǎng)，進(jìn)而增大了墩頂位移，降低了墩底破壞的可能性，因此在高烈度地區(qū)對(duì)于混凝土連續(xù)梁橋的抗震分析，考慮樁-土結(jié)構(gòu)相互作用是非常有必要的。

4 減隔震動(dòng)力時(shí)程分析

4.1 支座方案

由于該橋位于Ⅷ度地震烈度區(qū)，本著“安全、科學(xué)、合理、經(jīng)濟(jì)、環(huán)?！钡脑瓌t，對(duì)該橋進(jìn)行了減隔震設(shè)計(jì)，其中支座采用HDR型高阻尼減震橡膠支座配合以L(fǎng)NR型水平力分散型橡膠支座，支座參數(shù)如表2所示。為研究高阻尼減震橡膠支座的抗震性能，本文選用普通GYZ板式橡膠支座作為比選方案，對(duì)其抗震性能進(jìn)行比較分析。模型1過(guò)渡墩采用LNR型水平力分散型橡膠支座，2#、3#、4#墩采用HDR型高阻尼減震橡膠支座，支座參數(shù)如表2所示；模型2中間墩采用GYZ普通板式橡膠支座，過(guò)渡墩采用GYZ滑板式橡膠支座，其中3#墩為制動(dòng)墩[7]，模型1和模型2均考慮樁-土結(jié)構(gòu)相互作用。

表2 高阻尼支座參數(shù)表

4.2 地震動(dòng)輸入

根據(jù)該橋地震烈度和場(chǎng)地土類(lèi)別，采用與場(chǎng)地場(chǎng)址條件相近的天然地震波，經(jīng)調(diào)整后得到與設(shè)計(jì)加速的反應(yīng)譜兼容的一組地震波[8]。在進(jìn)行非線(xiàn)性時(shí)程分析[9]時(shí)，分別按照橫向+豎向、縱向+豎向兩種方式輸入進(jìn)行分析。計(jì)算采用的地震時(shí)程圖如圖4、圖5所示。

圖4 E1地震加速度時(shí)程圖

圖5 E2地震加速度時(shí)程圖

4.3 地震響應(yīng)結(jié)果

在非線(xiàn)性時(shí)程分析中，通過(guò)研究E2地震時(shí)該橋在順橋向地震波作用下，兩種不同規(guī)格支座的地震響應(yīng)[10]。墩頂位移值結(jié)果見(jiàn)表3、圖6。

表3 墩頂位移值表

圖6 墩頂位移值比較圖

從順橋向墩頂位移分析結(jié)果可以看出，在E2順橋向地震波作用下，使用高阻尼支座墩頂位移顯著減小，位移最多減小53.9%。由于常規(guī)支座模型中3#墩采用固定支座，順橋向大部分地震力被3#墩承受，因此該墩易產(chǎn)生較大的塑性變形，墩頂位移最大。采用高阻尼減震橡膠支座后，產(chǎn)生有效的滯能減震效果，順橋向墩頂位移具有明顯程度的降低，最高可減小4.34 cm的位移變形。

墩底彎矩值結(jié)果如表4、圖7所示。在E2地震波順橋向地震作用下，采用高阻尼減震橡膠支座后，各墩底彎矩均勻，基本處于彈性工作范圍內(nèi)。采用高阻尼支座可避免固定墩墩底彎矩過(guò)大的情況，由分析結(jié)果可知，高阻尼減震支座順橋向最大減震55.4%，減震效果明顯。

表4 墩底彎矩值表

圖7 墩底彎矩值比較圖

圖8 HDR高阻尼支座滯回曲線(xiàn)圖

圖8為HDR(Ⅰ)-d420-G1.0高阻尼減震支座滯回曲線(xiàn)，由滯回曲線(xiàn)可以看出，高阻尼減震支座具有較強(qiáng)的非線(xiàn)性。

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)梁橋是最常見(jiàn)的橋梁形式之一，在高烈度地震區(qū)其抗震也一直是橋梁設(shè)計(jì)、施工的重難點(diǎn)之一。本文采用有限元分析軟件CSIBridge建立有限元模型，分別進(jìn)行了高烈度區(qū)連續(xù)梁抗震是否考慮樁-土結(jié)構(gòu)作用的分析，以及高阻尼板式橡膠支座與普通板式橡膠支座的抗震性能對(duì)比分析。分別得出以下結(jié)論：

(1)考慮樁-土相互作用使結(jié)構(gòu)整體變?nèi)帷⒆哉裰芷谧冮L(zhǎng)，為降低計(jì)算誤差，在高烈度區(qū)連續(xù)梁橋抗震分析中，應(yīng)該考慮樁-土結(jié)構(gòu)相互作用。

(2)高阻尼減隔震支座的使用，能在橋梁結(jié)構(gòu)中形成隔震層，增加結(jié)構(gòu)阻尼，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，使橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩運(yùn)動(dòng)不同步，達(dá)到滯回耗能的效果，降低了墩頂縱向位移，減小了結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，具有較好的減隔震性能。

(3)減隔震支座的使用，避免了固定墩受力過(guò)大的情況，保證了橋梁各墩橫橋向和縱橋向受力均勻，有效優(yōu)化了高烈度地區(qū)橋墩的結(jié)構(gòu)尺寸。

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[4]JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

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[10]邵長(zhǎng)江，房 麟，錢(qián)永久.基于高阻尼橡膠支座的混凝土連續(xù)梁橋減隔震性能[J].公路交通科技，2015(10)：57-61.