某裝配式小箱梁橋減隔震與延性抗震設(shè)計比較

茹 毅，于西堯

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市300051）

0 引 言

我國是地震災(zāi)害多發(fā)國家，近年來頻發(fā)的地震災(zāi)害中，橋梁結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致了巨大損失，這使得橋梁抗震設(shè)計在整個橋梁的設(shè)計過程中得到了越來越多的重視。隨著《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）[1]和《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166—2011）[2]的實行，橋梁抗震設(shè)計也有了更加清晰的依據(jù)和思路。依據(jù)規(guī)范，橋梁抗震設(shè)計主要有兩種方法，即延性設(shè)計和減隔震設(shè)計。

延性抗震設(shè)計通過橋墩的塑性變形來消耗地震能量，同時塑性鉸的形成能夠降低結(jié)構(gòu)剛度，從而減小地震輸入。延性抗震設(shè)計的基本目標(biāo)是使橋墩產(chǎn)生塑性鉸，并確保其潛在塑性鉸區(qū)域的延性能力，同時脆性構(gòu)件和能力保護構(gòu)件即不宜用于耗能的構(gòu)件處于彈性反應(yīng)范圍[3]。

橋梁減隔震設(shè)計通過引入隔震裝置改變結(jié)構(gòu)在地震中的動力響應(yīng)特性，從而減小地震輸入，同時通過其自身或附加的高阻尼裝置來消耗地震能量。其基本目標(biāo)是減小傳遞到結(jié)構(gòu)上的地震力和能量，使橋梁下部結(jié)構(gòu)處于彈性反應(yīng)范圍[4]。

兩種設(shè)計方式在實際工程中都得到了一定的應(yīng)用，然而針對高速公路上常用的裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，有關(guān)研究仍相對較少。本文以某高速公路上的小箱梁橋為例，依照現(xiàn)行規(guī)范對其分別進行延性設(shè)計和減隔震設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上將兩種設(shè)計方法進行對比，從而為同類橋梁的抗震設(shè)計提供一定參考。

1 工程背景

某高速上3×20 m 先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，單幅橋?qū)?3 m。該橋為大橋中的一聯(lián)，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式結(jié)構(gòu)，橋墩與樁基均為圓形截面，墩柱直徑1.2 m，樁基直徑1.5 m?？拐鹪O(shè)防類別為B 類，設(shè)防烈度為7 度，場地類型為Ⅲ類，場地基本特征周期0.35 s，設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.15g。

采用有限元軟件midas Civil 建立該橋的有限元模型，如圖1 所示。主梁、墩柱和樁基均采用梁單元模擬，樁基礎(chǔ)單元節(jié)點上建立彈性支承，其剛度由土介質(zhì)的動力m 值計算。

圖1 有限元模型

2 延性抗震設(shè)計

依照抗震細(xì)則，采用反應(yīng)譜法對該橋進行延性抗震設(shè)計。根據(jù)抗震設(shè)計參數(shù)，相應(yīng)的反應(yīng)譜曲線如圖2 所示。

圖2 E2 地震作用下反應(yīng)譜曲線

延性抗震設(shè)計時，中墩支座采用板式橡膠支座，墩柱主筋采用24 根C22 鋼筋。根據(jù)延性抗震設(shè)計構(gòu)造要求，箍筋布置形式為雙層A10 箍筋，塑性鉸位置處箍筋加密，間距10 cm，其余位置箍筋間距20 cm。根據(jù)截面及材料特性計算截面的彎矩-曲率關(guān)系曲線，計算時約束混凝土本構(gòu)關(guān)系選用Mander 模型，鋼筋本構(gòu)關(guān)系選用雙折線模型。計算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 截面彎矩-曲率曲線

利用有限元模型計算地震力作用下墩柱受力。計算結(jié)果表明，E1 地震作用下墩柱處于彈性狀態(tài)。E2 地震作用下墩底計算彎矩為3752 kN·m，通過彎矩-曲率關(guān)系曲線計算所得墩底截面等效屈服彎矩為2761 kN·m。顯然E2 地震作用下墩底將進入延性狀態(tài)。

墩底截面進入延性后，截面剛度變小，將其等效抗彎剛度即等效屈服彎矩與等效屈服曲率的比值帶入原模型，重新進行E2 地震作用下的計算。依照抗震細(xì)則，須進行墩柱變形和塑性鉸區(qū)抗剪強度的能力保護計算。

墩柱容許位移按下式計算：

式中：φy為截面等效屈服曲率；θu為塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角；Lp為等效塑性鉸長度；H為懸臂墩的高度。Lp可根據(jù)墩柱的高度及縱向鋼筋直徑和抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值求得；φy、θu均可利用墩底截面彎矩-曲率曲線求得。

墩柱延性設(shè)計計算結(jié)果見表1。

表1 墩柱位移及塑性鉸區(qū)抗剪驗算

根據(jù)能力保護原則進行樁基礎(chǔ)配筋設(shè)計，設(shè)計剪力及彎矩依據(jù)墩底等效屈服彎矩計算并考慮超強系數(shù)。根據(jù)計算結(jié)果，樁基配置24 根C28 鋼筋，根據(jù)延性抗震設(shè)計構(gòu)造要求在樁頂7.5 m 范圍內(nèi)設(shè)置雙層A10 箍筋，間距10 cm。

3 減隔震抗震設(shè)計

裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)支點反力較小，常用的減隔震支座類型有鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座。本文橋梁中支點位置擬采用高阻尼橡膠支座。高阻尼橡膠支座既可以保持疊層橡膠支座所具有的良好力學(xué)性能，同時具有較高的阻尼值，在地震中可以有效吸收地震能量，減輕地震響應(yīng)。

減隔震分析計算中，高阻尼橡膠支座型號為HDR d345×167-G1.0。其主要性能參數(shù)見表2。根據(jù)表2 參數(shù)，在有限元模型中建立一般連接模擬支座特性。

表2 高阻尼支座性能參數(shù)

采用時程分析法進行減隔震計算分析，根據(jù)反應(yīng)譜曲線生成人工地震波用于時程分析。采用三組時程波計算，取三組計算結(jié)果的最大值。時程分析計算結(jié)果見表3。

表3 墩底地震響應(yīng)驗算

采用高阻尼支座后，E2 地震作用下墩底計算彎矩為2487 kN·m，小于等效屈服彎矩2761 kN·m，即橋墩在E2 地震作用下能夠保持彈性。E2 地震作用下墩柱剪力為369 kN，墩柱抗剪能力滿足要求。樁基礎(chǔ)正常配筋設(shè)計，配置24 根C25HRB400鋼筋。

4 延性與減隔震抗震設(shè)計比較

依據(jù)文中抗震設(shè)計實例，對比兩種抗震設(shè)計體系。

延性抗震體系通過在墩柱潛在塑性鉸區(qū)域加密箍筋，使結(jié)構(gòu)的延性能力超過預(yù)期地震所引起的延性需求。同時為確保橋梁非塑性鉸區(qū)域彈性能力高于塑性鉸區(qū)，采用能力保護構(gòu)件的設(shè)計方法，對樁基進行加強設(shè)計。

減隔震抗震體系在上部小箱梁和下部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置高阻尼支座，以增大原結(jié)構(gòu)體系阻尼和周期，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，達到預(yù)期的防震要求。

E2 地震作用后，延性抗震體系在災(zāi)后恢復(fù)和重建階段需對墩柱塑性鉸區(qū)進行修補和加固；減隔震體系在理想情況下經(jīng)過檢查和復(fù)位作業(yè)即可恢復(fù)通行能力[5]，但橋梁抗震能力取決于減隔震支座的性能，因此對其可靠性要求較高。

從工程經(jīng)濟性角度考慮，依據(jù)有關(guān)施工單位提供的價格分別計算按延性抗震體系和減隔震體系設(shè)計時新增的工程數(shù)量及相應(yīng)造價。延性抗震體系鋼筋增量主要來自墩柱及樁基箍筋加密以及樁基配筋率的提高，減隔震體系造價增加主要是由于高阻尼橡膠支座單價相對普通板式橡膠支座高。計算結(jié)果見表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，針對文中工程實例，采用減隔震體系較經(jīng)濟。

表4 兩種抗震體系新增造價比較

5 結(jié) 語

為研究裝配式小箱梁結(jié)構(gòu)延性抗震體系和減隔震體系的區(qū)別，本文以某高速上3×20 m 裝配式小箱梁橋為工程背景，建立有限元模型。首先分別采用延性抗震體系和減隔震抗震體系對其進行抗震設(shè)計，結(jié)合實例說明兩種方法的設(shè)計過程和要點。然后比較其抗震設(shè)計思路、震后恢復(fù)方法和工程造價。結(jié)果表明，針對文中工程實例，采用高阻尼支座的減隔震體系能夠節(jié)省鋼筋用量，節(jié)約工程造價，減小震后恢復(fù)難度，但橋梁的抗震能力取決于減隔震支座性能，采用減隔震體系設(shè)計的橋梁應(yīng)重視減隔震支座的可靠性。