橋墩剛度對連續(xù)梁橋向抗震性能的影響

橋墩剛度對連續(xù)梁橋向抗震性能的影響

連續(xù)梁橋具有布置形式合理、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等優(yōu)點。在地震橋的景觀設(shè)計中，簡調(diào)梁容易落在梁上，需要連續(xù)且盡可能少地使用收縮縫。這在中小型斜橋中是很有競爭力的。由于已往橋梁的地震震害多表現(xiàn)在縱橋向落梁、坍塌等,研究的重點工作多關(guān)注于縱橋向的抗震能力.隨著橋梁抗震研究的發(fā)展,在縱橋向,可以通過采用減震支座、耗能限位裝置以及提高墩體的延性來滿足設(shè)計要求,因而橫橋向的問題就顯現(xiàn)出來.雖然橫橋向的問題也可以通過采用提高墩體延性來改善,但如果采用雙向延性設(shè)計則大大降低了墩底的抗剪能力.筆者對某橋梁工程進(jìn)行抗震分析,利用連續(xù)梁橋的等效模型的簡化分析,并對Ⅰ類場地和Ⅲ類場地分別進(jìn)行研究,提出了提高橫橋向抗震性能的方法,這對于指導(dǎo)地震區(qū)連續(xù)梁橋的概念設(shè)計具有特別重要的意義1跨上部結(jié)構(gòu)形式本橋是一座等跨度的25跨T形連續(xù)梁橋,每跨29m,分成5聯(lián),第一聯(lián)3跨,第二聯(lián)7跨,其余各5跨.各橋跨上部結(jié)構(gòu)形式相同,為T形連續(xù)梁,有6根主梁,且橫橋向剛度較大(Iz-z=64.258m4);下部結(jié)構(gòu)分變截面實心墩、變截面空心墩和雙柱墩3種形式,高度從5.5～48.0m不等,共24個橋墩.2橫向地震力的計算對于采用排架墩或柔性墩的連續(xù)梁橋,與下部結(jié)構(gòu)的剛度相比,無論是在橫橋向或是縱橋向,上部結(jié)構(gòu)都表現(xiàn)出很大的剛度.因此在建立動力模型時,在橫橋向,可以認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)為一個剛性桿,橋墩模擬為以橫橋向剛度K的彈簧元件(見圖1).在如圖所示的結(jié)構(gòu)模型下,墩頂剪力的簡化計算方法如下:在地震力的作用下,地震力p作用在等代體系的質(zhì)量中心Cm處.由于上部結(jié)構(gòu)的剛度很大,結(jié)構(gòu)體系可以以平動加轉(zhuǎn)動的簡化模式進(jìn)行分析.可先將地震力作用于剛度中心,計算橫橋向的平動位移:式中:Ki為各橋墩的橫向剛度;P為橫向水平地震力.在地震荷載的偏心作用下,將會引起橋梁結(jié)構(gòu)以剛度中心為轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動位移,轉(zhuǎn)動平衡方程為式中:xi為各墩與剛度中心之間的距離;為剛度中心與質(zhì)量中心的距離;θ為體系發(fā)生的轉(zhuǎn)角.式中:∑mi為橋梁結(jié)構(gòu)各部分質(zhì)量的總和,且橋墩質(zhì)量乘以折減系數(shù)0.24,上部結(jié)構(gòu)不折減.從圖3的設(shè)計反應(yīng)譜上,根據(jù)場地土的類別查得動力放大系數(shù)β,用來計算上部結(jié)構(gòu)的水平地震加速度峰值:a=βamax式中:amax為地表水平加速度峰值,昆石線地區(qū)取值為4.03m·s-2.式中:xi取絕對值.因為雖然在某一瞬時結(jié)構(gòu)的位移呈線性,但是在地震動的連續(xù)作用下,結(jié)構(gòu)的運動是以x軸為中心的反復(fù)平動和以剛度中心為轉(zhuǎn)動中心的反復(fù)擺動的和運動,所以,為求得地震動作用下的最大位移反應(yīng),xi應(yīng)取正值.3集中力p的作用上一節(jié)研究了橫橋向墩頂剪力的簡化計算方法,簡化計算模型將上部結(jié)構(gòu)簡化為一根剛度無窮大的直桿,將各橋墩簡化為剛度為K的彈簧.在該模型下,地震力被簡化成一個作用于質(zhì)量中心Cm的集中力P,它可以分解成一個大小不變,但作用在剛度中心的集中力P和一個大小為M=P的彎矩.在集中力P的作用下,結(jié)構(gòu)有一平動位移δk;在彎距M的作用下,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)轉(zhuǎn)角為θ的轉(zhuǎn)動位移.那么,當(dāng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動位移較大時,邊墩的墩頂位移明顯大于其它橋墩,造成在一聯(lián)內(nèi)邊墩承擔(dān)了大部分的水平地震荷載,整個結(jié)構(gòu)體系受力不合理.所以,改善橫橋向墩體受力可以從減小轉(zhuǎn)動位移入手,使橋梁在一聯(lián)內(nèi)的位移以平動為主,轉(zhuǎn)動位移不起控制作用.從圖2的反應(yīng)譜曲線可以看到:上部結(jié)構(gòu)對地表水平加速度峰值的放大系數(shù)隨地基土的不同而不同.所以改善結(jié)構(gòu)受力應(yīng)在設(shè)法減小轉(zhuǎn)動位移的原則下,根據(jù)場地的類別分別討論.3.1橋墩受力分析利用SAP2000將本橋梁建模計算,Ⅰ類場地和Ⅲ類場地的計算結(jié)果列于表1.從統(tǒng)計結(jié)果可以看出,由于剛度分布的原因,位移峰值出現(xiàn)在3號橋墩,造成第一聯(lián)和第二聯(lián)的位移較大,使其中幾個剛度較大的橋墩墩底正應(yīng)力和剪應(yīng)力都比較大,橋墩受力情況不理想.3.2改善結(jié)構(gòu)壓力3.2.1結(jié)構(gòu)體系發(fā)生的轉(zhuǎn)角橋墩墩頂位移為δi=δk+xiθ,適當(dāng)減小轉(zhuǎn)動位移可以使各橋墩以平動位移為主,墩頂位移值將會比較均勻.在偏心地震力P作用下,結(jié)構(gòu)體系發(fā)生的轉(zhuǎn)角為θ=,即影響轉(zhuǎn)角的主要因素為:由于一聯(lián)內(nèi)剛度分布不同而引起的和至∑Kixi2的變化.那么,設(shè)法調(diào)整各聯(lián)的剛度分布從而減小轉(zhuǎn)動位移是研究的出發(fā)點.3.2.2第二聯(lián)結(jié)構(gòu)的剛度分布Ⅰ類場地即構(gòu)造物所在地的土層為巖石或緊密的碎石土.從反應(yīng)譜中可以看到:Ⅰ類場地的特征周期比較短(Tg=0.2s),若結(jié)構(gòu)周期大于特征周期,反應(yīng)譜曲線進(jìn)入下降段.那么,自振周期的增大將導(dǎo)致動力放大系數(shù)的大幅度減小.所以,針對Ⅰ類場地,應(yīng)從減小某些橋墩橫向剛度的角度調(diào)整各聯(lián)的剛度分布.對第二聯(lián)中的4個獨柱墩——2,8,9,10號橋墩墩體中間設(shè)置縱向豎縫.這種做法可以在不改變縱橋向剛度的前提下,使橫橋向剛度減少45%～50%,從而改善了第二聯(lián)的剛度分布,計算的結(jié)果見表2.整個結(jié)構(gòu)在調(diào)整后有了明顯的改善.原結(jié)構(gòu)中第二聯(lián)轉(zhuǎn)角較大,造成各橋墩墩頂位移值跨度大,3,10號橋墩墩底應(yīng)力明顯大于其它橋墩;結(jié)構(gòu)調(diào)整后各橋墩墩頂位移以平動為主,各墩頂位移值很接近,改善了墩底應(yīng)力.綜上所述,對地基土比較堅實的場地,應(yīng)采用為獨柱墩加豎縫的方法減小某些橋墩的橫橋向剛度,從而調(diào)整各聯(lián)的剛度分布.這種方法一方面減小了上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角,另一方面也能減小等代體系的剛度,增大自振周期,從而使上部結(jié)構(gòu)所承受的水平地震力減小.另外,調(diào)整結(jié)構(gòu)應(yīng)從起控制作用的一聯(lián)入手,在本工程里,由于第二聯(lián)等代體系剛度最小,位移峰值出現(xiàn)在該聯(lián)的3號橋墩,所以第二聯(lián)在全橋起控制作用.3.2.3第二、三大裝置結(jié)構(gòu)的組合問題Ⅲ類場地即構(gòu)造物所在地的土層為松散的礫、粗、中砂,密實、中密的細(xì)、粉砂.與工類場地相比,Ⅲ類場地特征周期長(Tg=0.45s).全橋除第二聯(lián)外,其它各聯(lián)等代體系剛度均在特征周期以內(nèi).對這種情況,如果仍然采用Ⅰ類場地的方案,即在某些橋墩上設(shè)置縱向豎縫,是不可行的.因為如果地基土和橋墩剛度都比較小,橋梁結(jié)構(gòu)在地震力作用下橋墩墩頂位移將會很大,甚至超出允許范圍.所以,若地基土比較軟弱,應(yīng)采用調(diào)整制動墩或伸縮縫的位置,即改變分聯(lián)方式的方法或直接限制上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動位移來減小上部結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角.下面提出的方案立足于改變第二、三聯(lián)轉(zhuǎn)動中心的位置,并在關(guān)鍵點增大橋墩剛度,限制轉(zhuǎn)動位移.將3～8號橋墩分作一聯(lián),由于第二聯(lián)轉(zhuǎn)動中心的改變,使全橋位移峰值出現(xiàn)在8號橋墩上.同時,為限制8號墩的位移,將8～10號橋墩由獨柱墩分解為雙柱墩.這樣做,一方面對橋墩縱向剛度沒有太大影響,另一方面可以大大提高橫向剛度并約束了橫橋向墩頂位移,計算結(jié)果見表3.結(jié)構(gòu)改善后,墩底正應(yīng)力和剪應(yīng)力均有了明顯改善.可見,對于由多聯(lián)組成的連續(xù)梁橋,各聯(lián)轉(zhuǎn)動方式的不同對墩頂位移的大小和橋墩的受力均有很大影響.特別是剛度較小的一聯(lián)(第二聯(lián)),由于這一聯(lián)位移最大,并影響著相鄰聯(lián)的位移,所以將這一聯(lián)的轉(zhuǎn)動位移限制在一定范圍內(nèi)是至關(guān)重要的.本方案就是將第二聯(lián)的剛度中心轉(zhuǎn)移到質(zhì)量中心左側(cè),并調(diào)整8,9,10號橋墩橫向剛度以限制其位移值,從統(tǒng)計結(jié)果可以看到:墩頂位移和墩底應(yīng)力都有了明顯的改善.因此,對地基土比較軟弱的場地,應(yīng)采取改變制動墩或伸縮縫的位置,并在適當(dāng)位置將獨柱墩改為雙柱墩的方法,起到調(diào)整剛度分布并限制轉(zhuǎn)動位移的作用,從而改善結(jié)構(gòu)受力4體系剛度最小的一聯(lián)起控制作用筆者針對連續(xù)梁橋橫橋向的抗震行為進(jìn)行分析,在給出墩頂位移和墩頂剪力簡化計算方法的基礎(chǔ)上,分析了改善橋墩受力的方法.在橫橋向,轉(zhuǎn)動位移是影響墩頂位移和墩底應(yīng)力的重要因素,且等代體系剛度最小的一聯(lián)起控制作用.所以,調(diào)整轉(zhuǎn)角應(yīng)從這一聯(lián)著手,使這一聯(lián)剛度分布比較均勻,從而減小全橋的位移峰值,也就改善了全橋的受力狀態(tài).通過對反應(yīng)譜曲線的分析可知:上部結(jié)構(gòu)對地震力的放大作