主跨178 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋抗震性能研究

羅 致

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507)

0 引 言

我國是地震的多發(fā)國家,近20年來,曾經(jīng)發(fā)生過汶川地震、玉樹地震、雅安地震等多次地震災(zāi)害。橋梁是交通生命線的樞紐工程,特別是長聯(lián)、大跨的橋梁,一旦在地震中遭受破壞,將導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失,且由于震后修復(fù)困難容易引發(fā)次生災(zāi)害[1,2]。大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、變形小、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)[3,4],但同時(shí)由于其上部結(jié)構(gòu)自重大,在地震作用下相對其他橋型將容易引起更大的地震響應(yīng),需特別注重其抗震設(shè)計(jì)。國內(nèi)對于常規(guī)的連續(xù)梁橋的抗震性能[5,6]乃至大跨度鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)梁橋[7]、魚脊式變高連續(xù)梁橋[8]等多種結(jié)構(gòu)均有所研究,但少有接近預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋跨徑極限的橋梁的相關(guān)案例。本文以主跨178 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?研究其抗震性能,旨在為同類型橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 工程背景

1.1 工程概況

廣東某高速主橋?yàn)樽兘孛骖A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋,橋長379 m,跨徑布置(100.5+178+100.5)m,兩側(cè)引橋?yàn)?0 m跨簡支預(yù)制混凝土小箱梁。主橋主梁寬20.5 m,跨中梁高4.2 m,支點(diǎn)處梁高11 m。主墩為15×4 m的實(shí)心板墩,邊墩為帶蓋梁的雙柱式橋墩,基礎(chǔ)均為群樁基礎(chǔ)。該橋主墩支座噸位高達(dá)11 000 t,上部結(jié)構(gòu)重量極大。如圖1～圖3所示。

圖1 橋型布置圖(單位:cm)

圖2 主梁中支點(diǎn)斷面(單位:cm)

圖3 主墩及其基礎(chǔ)平面布置(單位:cm)

1.2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及目標(biāo)

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[9],橋梁采用兩水平設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)思想,抗震設(shè)防類別為A類,采用50年10%(E1地震)和50年2.5%(E2地震)兩種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震設(shè)防,設(shè)防目標(biāo)為E1地震下結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍,基本無損傷,可正常使用;E2地震下可發(fā)生局部輕微損傷,不需修復(fù)或經(jīng)簡單維修可正常使用。根據(jù)以上設(shè)防目標(biāo),提出不同設(shè)防水準(zhǔn)下橋梁抗震具體性能要求見表1。

表1 不同抗震設(shè)防水準(zhǔn)下性能要求

1.3 地震動(dòng)輸入

根據(jù)相關(guān)地震安評報(bào)告,本工程場地地震基本烈度為Ⅶ度,場地類別為Ⅲ類,阻尼比0.05的場地水平向加速度反應(yīng)譜按以下公式確定。豎向地震作用則考慮為水平向的0.65倍。

式中各參數(shù)取值見表2。

表2 不同概率水準(zhǔn)下地震動(dòng)主要參數(shù)

由以上公式及參數(shù)所得反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

圖4 場地設(shè)計(jì)水平向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力時(shí)程分析時(shí),則選用譜擬合結(jié)果與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜基本一致的時(shí)程曲線作為地震動(dòng)輸入。根據(jù)規(guī)范,用7條時(shí)程波的地震響應(yīng)結(jié)果的平均值作為最終地震分析結(jié)果。

2 計(jì)算模型及動(dòng)力特性

2.1 空間動(dòng)力模型

采用SAP2000有限元程序建立空間動(dòng)力模型,考慮主橋前后各一跨引橋作為邊界聯(lián)。主梁、橋墩及蓋梁均采用梁單元進(jìn)行模擬,二期恒載等考慮點(diǎn)、線荷載作用于梁單元;分析時(shí)考慮P-△效應(yīng)對主墩、過渡墩的影響;承臺(tái)視為剛體,質(zhì)量堆積在承臺(tái)質(zhì)心;樁基考慮樁土相互作用,采用承臺(tái)底六個(gè)自由度的彈簧剛度進(jìn)行基礎(chǔ)模擬,等代土彈簧的剛度采用m法[10]進(jìn)行計(jì)算。有限元模型如圖5所示。

圖5 空間動(dòng)力有限元模型

2.2 約束體系及支座模擬

設(shè)置如表3所示兩種墩梁約束體系進(jìn)行對比分析。其中體系1為常規(guī)的連續(xù)箱梁橋約束體系布置,所有橋墩橫向固定,縱向僅設(shè)置一個(gè)主墩固定,其余均縱向活動(dòng);體系2則考慮于墩梁之間設(shè)置雙曲面球形減隔震支座。[11]

表3 主橋約束體系

雙曲面球形減隔震支座除具有承受豎向荷載及各向轉(zhuǎn)動(dòng)的功能外,還具有水平向減隔震的功能。在正常使用工況下,通過設(shè)置水平限位板(或剪力釘),能實(shí)現(xiàn)指定方向固定。在較大地震作用荷載下,縱、橫向支座限位板(或銷釘)發(fā)生剪斷,約束體系由固定轉(zhuǎn)換為活動(dòng)。支座在克服摩擦力滑動(dòng)后,由于曲面摩擦副的影響,在自身重力的作用下,仍有一定的恢復(fù)力。雙曲面球形減隔震支座的恢復(fù)力模型如圖6所示。圖中,Fy為屈服力;Dy為屈服位移;Dd為最大位移量;K1為屈服前剛度,K1=Fy/Dy;K2為屈服后剛度;Keff為等效剛度,Keff=[Fy+K2(Dd-Dy)]/Dd。

圖6 雙曲面球形減隔震支座恢復(fù)力模型

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

分析和認(rèn)識(shí)橋梁的動(dòng)力特性是進(jìn)行抗震性能分析的基礎(chǔ),表4、表5中列出了兩種約束體系下該橋的前7階振型特征。

表4 體系1主橋振型特征

表5 體系2主橋振型特征

表6 不同地震作用下主墩關(guān)鍵截面地震內(nèi)力

由表4、表5對比可知,采用減隔震支座后,主梁縱、橫向振動(dòng)所對應(yīng)的周期均有所增大,且前7階尚未出現(xiàn)橋墩振動(dòng)的振型,可知減隔震支座能有效延長結(jié)構(gòu)周期,減少上部結(jié)構(gòu)傳遞到下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,進(jìn)而達(dá)到減小下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的。

3 地震響應(yīng)分析

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性時(shí)程分析,得到E2地震下體系1的29#墩墩底縱、橫向地震彎矩為818 662kN·m、937 994kN·m;體系2的29#墩墩底縱、橫向地震彎矩為111 451kN·m、164 474kN·m?？芍捎秒p曲面球形減隔震支座后,能有效降低下部結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力,是合理的抗震體系。下面僅對采用雙曲面球形減隔震支座后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)提值。

根據(jù)主橋抗震性能目標(biāo),采用雙曲面球形支座后,考慮E1地震下,所有橋墩保持橫向固定,縱向僅29#墩固定,其余均縱向活動(dòng),約束情況與體系1相近;E2地震下,支座銷釘發(fā)生剪切失效,所有橋墩變?yōu)殡p向活動(dòng),充分發(fā)揮雙曲面支座減震耗能的作用,約束情況與體系2相同。各關(guān)鍵截面及支座地震響應(yīng)見6、表7。

表7 不同地震作用下各墩支座位移與剪力

由以上表中E1、E2地震響應(yīng)結(jié)果對比可知:

(1) 雖然E2地震輸入較大,但由于支座剪切失效后能有效減震耗能,所以在主墩墩底截面橫橋向地震輸入下,及縱向固定墩縱橋向地震輸入下,E2地震地震軸力及彎矩均小于E1地震。

(2) 對于單樁最不利截面,E2地震作用下軸力同樣小于E1地震,但地震彎矩在E1、E2下作用值相當(dāng),這是由于墩底截面彎矩傳遞至樁基后大部分彎矩轉(zhuǎn)化為單樁軸力所致。

(3) 由于支座約束減弱,E2地震下支座位移更大,但支座變形值最大僅為106mm,支座變形值較小。

(4) 28#、29#主墩在E2地震下雖約束相同,但由于29#墩墩高相對較高,導(dǎo)致其墩底彎矩相對較大。

4 抗震性能驗(yàn)算

4.1 截面驗(yàn)算方法

橋墩和樁基礎(chǔ)截面的抗彎能力(強(qiáng)度)采用纖維單元法進(jìn)行分析,將截面混凝土根據(jù)需求劃分為纖維單元束,而單根鋼筋則作為一個(gè)纖維單元,對已劃分截面進(jìn)行彎矩-曲率分析,進(jìn)而得彎矩-曲率曲線,如圖7所示。

圖7 彎矩-曲率曲線

圖7中,My0為截面初始屈服彎矩,為截面最外層鋼筋首次屈服時(shí)對應(yīng)的彎矩,因此當(dāng)?shù)卣饛澗匦∮贛y0時(shí),整個(gè)截面保持彈性,可認(rèn)為其滿足E1設(shè)防水準(zhǔn)下抗震性能目標(biāo)的要求;My為截面等效屈服彎矩,是把彎矩-曲率曲線等效為圖7中所示立項(xiàng)彈塑性雙線性模型時(shí)得到的屈服彎矩值,當(dāng)?shù)卣饛澗匦∮贛y時(shí),混凝土保護(hù)層完好,且地震后裂縫一般可以閉合[4],因此,當(dāng)?shù)卣饛澗匦∮诘刃澗貢r(shí),可認(rèn)為其滿足E2設(shè)防水準(zhǔn)下抗震性能目標(biāo)的要求。

4.2 關(guān)鍵截面驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)地震相應(yīng)分析結(jié)果,對橋墩和樁基關(guān)鍵截面進(jìn)行抗震性能驗(yàn)算。采用Ucfyber對橋墩和樁基關(guān)鍵截面建立纖維單元模型,分別求出其材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值下的初始屈服強(qiáng)度My0及材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值下的等效屈服強(qiáng)度My。根據(jù)表1中的性能目標(biāo),當(dāng)其地震響應(yīng)小于初始屈服強(qiáng)度My0時(shí),可認(rèn)為結(jié)構(gòu)反應(yīng)在彈性范圍;地震響應(yīng)小于等效屈服強(qiáng)度My時(shí),可認(rèn)為結(jié)構(gòu)僅發(fā)生局部輕微損傷。[9]主要驗(yàn)算結(jié)果見表8。

表8 主墩關(guān)鍵截面抗震承載能力驗(yàn)算結(jié)果

由表8可知,當(dāng)各構(gòu)件采用上表所示配筋率時(shí),其承載能力滿足相關(guān)規(guī)范要求。可知當(dāng)采用了雙曲面球形減隔震支座后,各構(gòu)件配筋率在一個(gè)合適的水平,即能實(shí)現(xiàn)表1中的抗震性能目標(biāo)要求。

5 結(jié) 論

本文以主跨178m的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?該結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)剛度大、上部結(jié)構(gòu)重量大的特點(diǎn),研究其抗震性能,主要結(jié)論如下:

(1) 由振型分析,該結(jié)構(gòu)采用雙曲面球形減隔震支座后,相比連續(xù)梁橋常規(guī)的約束體系,能有效延長結(jié)構(gòu)周期,減少上部結(jié)構(gòu)傳遞到下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,達(dá)到減小下部結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的。

(2) 采用雙曲面球形減隔震支座后,根據(jù)抗震設(shè)防目標(biāo),由于E1地震下支座銷釘尚未剪斷,縱向設(shè)置單個(gè)固定支座,橫向全部橫向固定,將導(dǎo)致其固定方向主墩墩底地震內(nèi)力大于支座發(fā)生剪斷后的E2地震。因此設(shè)計(jì)時(shí)注意重點(diǎn)關(guān)注E1地震下固定墩的承載能力驗(yàn)算。

(3) 采用雙曲面球形減隔震支座雖能減小地震內(nèi)力,但將導(dǎo)致支座位移增大,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意控制支座變形。在本文計(jì)算中,雖然上部結(jié)構(gòu)重量較重,但支座變形值總體較小,最大僅為104mm,無須額外設(shè)置限位裝置控制位移。同時(shí)應(yīng)注意,為實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo),應(yīng)合理設(shè)置支座剪斷力,確保其在E1地震作用下未發(fā)生剪斷。

(4) 在本文所述的場地條件(場地地震基本烈度為Ⅶ度,場地類別為Ⅲ類)下,采用雙曲面球形減隔震支座后,該橋下部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在較為常規(guī)的配筋率水平下,即能滿足抗震性能要求。