胡豐玲
(中設(shè)設(shè)計集團(tuán),南京 210005)
近年來,高強(qiáng)度地震日益頻繁,高墩橋梁受震害后修復(fù)困難,影響震后生命線的暢通,給地震災(zāi)區(qū)帶來嚴(yán)重的次生災(zāi)害。目前,國內(nèi)外缺乏高墩橋梁震后經(jīng)驗,對其在地震作用下的反應(yīng)行為和抗震性能認(rèn)識不足,大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計規(guī)范僅限于常規(guī)橋梁抗震分析,而對高墩橋梁的抗震設(shè)計未做具體規(guī)定。
高墩橋梁多采用剛構(gòu)方案,對于一般設(shè)計烈度區(qū),剛構(gòu)方案基本可滿足抗震性能要求,但對于高烈度區(qū)尤其是地質(zhì)條件較差需采用群樁基礎(chǔ)的橋梁,常規(guī)設(shè)計方案很難滿足其抗震性能要求。此時,合理的減隔震設(shè)計,可延長結(jié)構(gòu)周期、增大阻尼,以降低地震動輸入,減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。
本文以云南某快速路中一座高墩大跨橋為例,分析其在高烈度區(qū)的地震響應(yīng),提出合理的抗震設(shè)計及構(gòu)造方案。
主橋為(42+75+42)m的連續(xù)剛構(gòu)橋,兩側(cè)引橋為30 m的裝配式預(yù)應(yīng)力T梁。主橋上部結(jié)構(gòu)為掛籃懸澆變截面預(yù)應(yīng)力梁,根部梁高4.5 m;跨中處梁高2 m;主墩(6#、7#)采用薄壁實體墩,墩高約30 m,墩身尺寸為10.25 m×2.5 m;群樁基礎(chǔ),單個承臺下布置6根D180的樁基。
道路等級:城市快速路;汽車荷載:城-A級;地震要求:地震動峰值加速度為0.3 g,抗震設(shè)防烈度為8度,抗震構(gòu)造措施按9度設(shè)防,設(shè)防分類為乙類;地震調(diào)整系數(shù):橋梁E1作用下取0.61,E2作用下取1.7。
因本項目橋墩較高、地震烈度大,故采用地震動時程分析法,建立主引橋的三維全橋模型,考慮樁土作用、支座非線性、材料非線性等,對其進(jìn)行縱橫向地震分析,全橋三維簡化模型如圖1所示。
圖1 全橋三維動力分析模型
2.1.1 地震動輸入
根據(jù)地震安評報告,按照《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》§5.1及§5.3規(guī)定,對全橋橫橋向和縱橋向(不考慮豎向地震)分別輸入人工合成地震波,進(jìn)行相應(yīng)的地震分析,如圖2~3所示。
圖2 8度區(qū)0.3 g E1人工合成地震波
圖3 8度區(qū)0.3 g E2人工合成地震波
2.1.2 支座模擬
為合理分析約束對全橋地震作用的影響,分析時分別比選了盆式支座、摩擦擺支座和高阻尼支座。盆式支座采用“一般連接”中“彈簧”,輸入各方向剛度即可;高阻尼支座、摩擦擺支座的力學(xué)及恢復(fù)力模型如圖4~5所示。
圖4 高阻尼支座—等效雙線性恢復(fù)力模型
圖5 摩擦擺支座力學(xué)及恢復(fù)力模型
2.1.3 塑性鉸布置及模擬
地震作用中,橋墩及基礎(chǔ)是抗震設(shè)計的主要部位,而樁基作為隱蔽工程,不允許出現(xiàn)損傷。因此,在高烈度區(qū),一般使墩身設(shè)計地震慣性力小于地震所產(chǎn)生的彈性慣性力,從而在墩身形成塑性鉸耗能[1]。
本橋在墩底設(shè)置塑性鉸,主墩為空心墩[2]。墩身外圈布置兩層Φ28 mm的鋼筋,分別為252根和248根;內(nèi)圈布置206根Φ20 mm的鋼筋;過渡墩為實心墩,墩柱配置35根Φ28 mm的鋼筋。根據(jù)墩身尺寸及其配筋,定義彈塑性材料特性及M-φ曲線。
方案一:主墩固結(jié),過渡墩設(shè)盆式橡膠支座。
方案二:主墩、過渡墩均設(shè)摩擦擺支座。
方案三:主墩摩擦擺支座,過渡墩高阻尼橡膠支座。
考慮到E1作用下結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)相對較小[3],因此,本文僅羅列出E2作用下墩底內(nèi)力,方案一、方案二和方案三主橋墩底內(nèi)力分別如表1~3所示。
通過對上述各方案中橋墩、樁基進(jìn)行抗震設(shè)計后發(fā)現(xiàn):
(1) 該橋位于0.3 g的高設(shè)防烈度區(qū)內(nèi),橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)較大,采用普通盆式支座,樁基難以按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計。
(2) 采用摩擦擺支座,墩身順橋向彎矩降低為70%~75%,橫橋向主墩降低為30%~40%;過渡墩增大為140%~190%,但從數(shù)值上看,主墩、邊墩分配上更合理。
表1 方案一主橋墩底內(nèi)力一覽表
表2 方案二主橋墩底內(nèi)力一覽表
表3 方案三主橋墩底內(nèi)力一覽表
(續(xù)表)
(3) 采用高阻尼支座,主墩順橋向彎矩降低為84%~90%,橫橋向主墩降低為30%~40%;過渡墩增大為130%~150%,但從數(shù)值上看,主墩、邊墩分配更合理。
根據(jù)上述結(jié)論,本項目主橋主墩采用固結(jié),過渡墩采用摩擦擺支座,引橋T梁采用高阻尼橡膠支座。
表4 全橋前4階振型分析結(jié)果
E2地震作用下,主橋主墩、過渡墩墩身最不利內(nèi)力如表5所示,橋墩墩頂位置如表6所示。
表5 E2地震作用下橋墩內(nèi)力
表6 E2地震橋墩墩頂位移 (cm)
根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》第7.4.2條,對塑性鉸區(qū)域進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗算,結(jié)果如表7所示。
表7 E2地震橋墩墩身塑性鉸抗剪驗算 (kN)
E2地震作用下,主墩墩底進(jìn)入塑性,樁基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計,取最不利樁基驗算,結(jié)果如表8所示。
表8 E2地震作用樁基驗算
在本橋抗震設(shè)計中,支座因其易更換性,墩身塑性鉸區(qū)域因其可修復(fù)性,被選定為“保險絲式單元”。在發(fā)生破壞性地震時,支座優(yōu)先損壞,墩身允許可修復(fù)損傷,以確保隱蔽工程樁基作為能力保護(hù)構(gòu)件不發(fā)生損傷。
第一道防線:支座→彈塑性變形→分擔(dān)水平荷載,延緩并減小橋墩塑性區(qū)損失發(fā)生。
第二道防線:支座錨固失效→支座、限位構(gòu)造發(fā)揮耗能作用。
第三道防線:支座變形較大(但傳遞路徑不中斷)→墩身、防落梁裝置和縱向支撐長度共同作用→發(fā)揮耗能及限位→防止落梁和側(cè)向倒塌[4]。
3.6.1 支座設(shè)計
主橋支座選用承載能力高、穩(wěn)定性好、復(fù)位功能和抗平扭能力強(qiáng)的摩擦擺式減隔震支座;引橋支座采用水平變位能力強(qiáng)、阻尼效果好、結(jié)構(gòu)復(fù)位能力強(qiáng)的高阻尼橡膠支座。
3.6.2 抗震擋塊設(shè)計
支座與擋塊的間隙大小視其在地震中主要作用而定。如擋塊僅用來防止意料之外的地震大位移下的落梁,則其間隙越大越好;若擋塊需承受支座破壞后的水平力,則擋塊與梁體間的距離應(yīng)適當(dāng)取小值,擋塊按剪力鍵設(shè)計。
本橋擋塊作為第二級設(shè)防手段,在支座失效后除保證不落梁外,還承擔(dān)一定耗能功能。因此,擋塊厚度須保證其抗剪強(qiáng)度與墩身強(qiáng)度相匹配,按照“小震、中震不壞,大震必壞”的設(shè)計原則確定其尺寸和配筋。
通過對本橋建立多種動力計算模型,分析其在罕遇地震下的地震反應(yīng),并對橋墩進(jìn)行延性設(shè)計,對樁基進(jìn)行彈性設(shè)計,得出如下結(jié)論:
(1) 高烈度區(qū)橋梁常規(guī)設(shè)計時地震響應(yīng)較大,作為能力保護(hù)構(gòu)件的基礎(chǔ)一般難以保證在地震作用中不受損傷。
(2) 合理的減隔震措施可有效降低橋梁地震響應(yīng),如設(shè)置減隔震支座、擋塊等,從而有效降低墩柱及基礎(chǔ)構(gòu)造配置。
(3) 應(yīng)根據(jù)橋梁各構(gòu)件后期檢測、修復(fù)、更換的難易程度,提出多道防線、分級耗能、區(qū)別設(shè)計的設(shè)計理念,可有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能,降低工程造價。
(4) 對于重要的、受力復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu),可通過改善構(gòu)件受力性能和增強(qiáng)其變形能力,增強(qiáng)整個橋梁結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)震和超預(yù)期地震破壞的能力。