對(duì)四川山區(qū)中小跨徑簡(jiǎn)支T梁橋常用的2種跨徑、3種不同類(lèi)型墩柱的抗震性能分別進(jìn)行了對(duì)比分析,并結(jié)合工程造價(jià)因素綜合選取最合適的墩型,使結(jié)構(gòu)能更好地滿(mǎn)足耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。
地震; 橋梁抗震; 墩型選擇
U443.22 A
[定稿日期]2022-02-17
[作者簡(jiǎn)介]朱麗瑤(1994—),女,碩士,工程師,主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。
近年來(lái),四川地震多發(fā),對(duì)道路、橋梁的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了巨大的威脅。川西山區(qū)的地震基本烈度普遍大于VII度,橋梁抗震設(shè)計(jì)的重要性更為突出。在山區(qū)公路橋梁中,中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋量大面廣,是一條道路上廣泛分布的震害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),且對(duì)整條道路的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)影響較大。因此,在山區(qū)公路設(shè)計(jì)中,綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)選型,具有較大的實(shí)際意義。
山區(qū)公路中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的上部結(jié)構(gòu)型式以預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁(25 m、30 m或40 m跨徑)和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁(25 m或30 m跨徑)為主,下部結(jié)構(gòu)型式主要以圓柱式雙柱墩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙柱圓墩”)、雙柱式矩形空心薄壁墩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙柱方墩”)和獨(dú)柱式矩形空心薄壁墩(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“獨(dú)柱方墩”)為主。山區(qū)公路中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋設(shè)計(jì),上部結(jié)構(gòu)選型主要考慮橋梁高度、平曲線半徑、運(yùn)輸條件等因素,而下部結(jié)構(gòu)選型則主要考慮地形條件、經(jīng)濟(jì)性和抗震性能。確定上部結(jié)構(gòu)跨徑和型式之后,墩型選擇是山區(qū)中小跨徑橋梁抗震設(shè)計(jì)中十分重要的一步,合理的墩型使橋梁結(jié)構(gòu)既滿(mǎn)足抗震性能的需求,又滿(mǎn)足美觀、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。
本文分別以山區(qū)公路中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋中最常見(jiàn)的30 m跨徑和40 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為例,通過(guò)有限元模型抗震分析,對(duì)采用雙柱圓墩、雙柱方墩和獨(dú)柱方墩的橋梁的抗震性能作對(duì)比分析,并結(jié)合工程實(shí)際綜合選取最合適的墩型。
1 分析方法與模型
1.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸
本文采用有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震受力分析,建立了3組空間梁?jiǎn)卧邢拊P???紤]到分析結(jié)論的普適性,采用相同的墩高、地質(zhì)條件和地震荷載,只改變橋墩結(jié)構(gòu)形式,進(jìn)行對(duì)比分析。
第一組模型為4×30 m跨徑簡(jiǎn)支橋面連續(xù)T梁橋,四跨一聯(lián),橋面寬度12.6 m。5個(gè)橋墩高度均為40 m。通過(guò)改變橋梁下部結(jié)構(gòu)型式,分別建立了雙柱圓墩計(jì)算模型、雙柱方墩計(jì)算模型和獨(dú)柱方墩計(jì)算模型,進(jìn)行對(duì)比分析。第二組模型在第一組模型的基礎(chǔ)上,墩高調(diào)整為60 m,橋梁分聯(lián)、橋面寬度、下部結(jié)構(gòu)基本型式及截面尺寸均與第一組模型一致。第三組模型在第二組模型的基礎(chǔ)上,調(diào)整上部結(jié)構(gòu)為4×40 m跨徑簡(jiǎn)支橋面連續(xù)T梁,并對(duì)應(yīng)調(diào)整下部結(jié)構(gòu)尺寸,橋梁分聯(lián)、橋面寬度及下部結(jié)構(gòu)基本型式均與第一組模型一致。
圖1~圖3分別為3種墩型的立面圖,墩柱主要截面尺寸和配筋信息詳見(jiàn)表1、表2。墩柱、蓋梁均采用C40混凝土。
本文僅對(duì)墩柱進(jìn)行分析,不考慮樁土共同作用,直接在墩底設(shè)置固結(jié)邊界條件。2~4號(hào)墩墩頂設(shè)置板式橡膠支座,采用彈性連接模擬(每片T梁每端設(shè)置1塊,30 m跨徑T梁采用GJZ350×450×84,40 m跨徑T梁采用GJZ400×450×99),1號(hào)墩和5號(hào)墩墩頂設(shè)置四氟滑板橡膠支座,采用彈性連接模擬,釋放剪切剛度。
圖4~圖6分別為3種墩型的有限元分析模型。
第二組和第三組有限元計(jì)算模型與第一組計(jì)算模型類(lèi)似,限于篇幅,不再單獨(dú)給出。
地震荷載采用JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[1]中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,地震動(dòng)峰值加速度0.2g,場(chǎng)地特征周期0.4 s,場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi),橋梁抗震設(shè)防類(lèi)別為B類(lèi),橋梁類(lèi)型為高速公路上的大橋。采用E2地震進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如圖7所示。
2 第一組模型分析結(jié)果
2.1 橋梁動(dòng)力特性
采用3種墩型的橋梁自振周期計(jì)算結(jié)果如表3所示。
從結(jié)果中可以看到,雙柱圓墩模型的自振周期最長(zhǎng),結(jié)構(gòu)剛度最小,雙柱方墩模型和獨(dú)柱方墩模型的自振周期相差不大,結(jié)構(gòu)剛度大致相當(dāng)。
2.2 橋梁抗震性能
在E2地震+永久作用組合下,采用3種墩型的橋梁的橋墩抗彎計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。表中墩底彎矩和墩底軸力為E2地震+永久作用組合下墩底截面同時(shí)發(fā)生的最不利彎矩和軸力組合值。彎矩抗力是指在上述軸力組合值作用下,按截面材料(C40鋼筋混凝土)、尺寸和實(shí)配鋼筋,采用軸力-彎矩-曲率分析,并根據(jù)JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中的原則計(jì)算得到截面等效屈服彎矩。
從上述計(jì)算計(jì)算結(jié)果可知,計(jì)算模型所采用的3種墩柱均能基本滿(mǎn)足抗震需求,說(shuō)明擬定墩柱尺寸和配筋基本合適。在墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下,橋墩順橋向的抗震能力需求比差異不大,排序?yàn)椋弘p柱圓墩>雙柱方墩≈獨(dú)柱方墩;橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋邯?dú)柱方墩>雙柱圓墩>雙柱方墩;3種墩型的混凝土工程量分別為:雙柱圓墩251 m3,雙柱方墩250 m3,獨(dú)柱方墩248 m3,3種墩型相差不大,而主筋配筋率基本一致,因此3種墩柱工程數(shù)量差別不大,但獨(dú)柱方墩可在本次計(jì)算采用的配筋方式的基礎(chǔ)上適當(dāng)減少橫橋向主筋,在材料用量上較其余2種墩型有一定優(yōu)勢(shì)。但從施工便捷性方面看,雙柱圓墩優(yōu)于其余2種方墩墩型,對(duì)山區(qū)橫橋向起伏較大的地形條件的適應(yīng)性也更佳。
綜上所述,對(duì)于墩高40 m左右的山區(qū)30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋,可根據(jù)實(shí)際施工條件擇優(yōu)選擇獨(dú)柱方墩或雙柱圓墩方案,使之更符合經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。
3 第二組及第三組模型分析結(jié)果
3.1 橋梁動(dòng)力特性
第二組模型為4×30 m簡(jiǎn)支T梁,墩高60 m。第三組模型為4×40 m簡(jiǎn)支T梁,墩高60 m。2組模型的橋梁自振周期計(jì)算結(jié)果如表6、表7所示。
通過(guò)對(duì)比第一組模型和第二組模型計(jì)算結(jié)果可知,對(duì)于4×30 m簡(jiǎn)支T梁橋,墩高加大,結(jié)構(gòu)變?nèi)幔?個(gè)方向的自振周期均相應(yīng)延長(zhǎng),且雙柱圓墩方案的自振周期對(duì)墩高最敏感。
由表7結(jié)果可知,對(duì)于4×40 m簡(jiǎn)支T梁橋,采用雙柱圓墩的橋梁自振周期依然是采用3種墩型的橋梁中最長(zhǎng)的,結(jié)構(gòu)整體剛度最小,而采用雙柱方墩和獨(dú)柱方墩的橋梁的自振周期相差不大,結(jié)構(gòu)剛度大致相當(dāng)。
3.2 橋梁抗震性能
在E2地震+永久作用組合下,2組對(duì)比模型采用3種墩型的橋梁的橋墩抗彎計(jì)算結(jié)果如表8、表9、表10、表11所示。
從第二組模型計(jì)算結(jié)果中可以看到,對(duì)于墩高60 m的30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁,墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下,橋墩順橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋弘p柱圓墩>雙柱方墩≈獨(dú)柱方墩;橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋邯?dú)柱方墩>雙柱圓墩>雙柱方墩。綜合比較可知,獨(dú)柱方墩和雙柱圓墩抗震性能各有優(yōu)勢(shì),總體優(yōu)于雙柱方墩。
從第三組模型計(jì)算結(jié)果中可以看到,對(duì)于墩高60 m的40 m跨徑簡(jiǎn)支T梁,墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下,橋墩順橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋弘p柱圓墩>獨(dú)柱方墩>雙柱方墩;橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋邯?dú)柱方墩>雙柱圓墩>雙柱方墩。綜合比較可知,獨(dú)柱方墩抗震性能較優(yōu)。
從第三組模型計(jì)算結(jié)果中還可以看到,在計(jì)算模型采用的截面尺寸和配筋方式下,3種墩型均存在2個(gè)方向上的抗震能力需求比不平衡的情況,需要優(yōu)化截面尺寸或鋼筋配置。對(duì)于矩形截面橋墩來(lái)說(shuō),通過(guò)局部調(diào)整截面尺寸或鋼筋配置來(lái)優(yōu)化橫橋向和順橋向2個(gè)方向的抗震承載能力是非常方便的,而雙柱圓墩的縱向鋼筋是沿周長(zhǎng)均勻分布的,不方便通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)單獨(dú)調(diào)整某個(gè)方向上的抗震承載力,若需要提高某個(gè)方向的抗震承載力,則需要同步增加另一方向上的截面尺寸或配筋,材料用量增加較多,工程造價(jià)也隨之增加較大。
從施工便捷性方面分析,如前所述,雙柱圓墩優(yōu)于2種方墩墩型,而獨(dú)柱方墩由于截面尺寸較大、立柱數(shù)量更少,又要明顯優(yōu)于雙柱方墩,且在墩高較大時(shí)優(yōu)勢(shì)更明顯。
綜上所述,對(duì)于墩高60 m左右的山區(qū)40 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋,選擇獨(dú)柱方墩方案,更符合經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。
4 結(jié)論
通過(guò)有限元對(duì)比分析,在綜合考慮抗震安全性、材料用量以及施工便捷性等因素后,對(duì)于墩高40~60 m左右的山區(qū)30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋,可根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選擇獨(dú)柱方墩或雙柱圓墩方案;對(duì)于墩高60 m左右的山區(qū)40 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋,宜選擇獨(dú)柱方墩方案。
參考文獻(xiàn)
[1] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則: JTG/TB02-01-2008[S].北京:人民交通出版社,2008.