鋼筋混凝土連續(xù)梁橋延性抗震設(shè)計與減隔震設(shè)計

鋼筋混凝土連續(xù)梁橋延性抗震設(shè)計與減隔震設(shè)計

延長抗疲勞設(shè)計和減阻抗疲勞設(shè)計是目前橋梁抗疲勞設(shè)計中的兩種常見設(shè)計理念。2種思想的機理不同、適用范圍不同、抗震設(shè)計采用的方法和措施也不同。因此,本文以一座實際的鋼筋混凝土連續(xù)梁橋為例應(yīng)用2種思想進行抗震設(shè)計,通過對設(shè)計結(jié)果的對比,建議了最終的設(shè)計方案。12抗強設(shè)計方法的比較1.1橋梁減隔震的工作機理延性抗震設(shè)計主要是利用結(jié)構(gòu)、構(gòu)件自身的延性耗能能力來抵抗地震作用,設(shè)計時是通過增加結(jié)構(gòu)、構(gòu)件延性來實現(xiàn),對結(jié)構(gòu)允許出現(xiàn)塑性鉸的部分進行專門的延性設(shè)計。在該方法中,容許很大的地震力和能量從地面?zhèn)鬟f給結(jié)構(gòu),而抗震設(shè)計時要考慮的問題是如何為結(jié)構(gòu)提供抵抗這種地震力的能力。橋梁減隔震設(shè)計是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,從而減少地震輸入,外加耗能機制作為主要的抗震構(gòu)件,而以結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震為輔。在該方法中,基本目的是要大大減小傳遞到結(jié)構(gòu)上的地震力和能量,其抗震能力是通過延長結(jié)構(gòu)周期,增加耗能能力來實現(xiàn)。減隔震技術(shù)的工作機理有3條:①采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期,減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng);②采用阻尼器式能量耗散元件,限制結(jié)構(gòu)位移;③保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度。表1是對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的延性抗震設(shè)計、減隔震設(shè)計的比較。1.2有一定的延性設(shè)計分析和震害經(jīng)驗表明,延性抗震設(shè)計時,強震作用下預(yù)期出現(xiàn)的塑性鉸的位置通常選擇在鋼筋混凝土橋墩中,并把鋼筋混凝土橋墩設(shè)計成延性構(gòu)件,而把其余構(gòu)件設(shè)計為能力保護構(gòu)件。因此應(yīng)安排盡可能多的橋墩共同承擔(dān)水平地震力。橋墩形式應(yīng)采用輕型橋墩,而不宜采用重力式橋墩。因為重力式橋墩常用圬工材料砌筑,明顯缺乏延性,不適合充當(dāng)延性構(gòu)件。對于在縱橋向和橫橋向剛度和強度相差很大的橋墩,例如薄壁橋墩,一般只適合在較弱的方向進行延性設(shè)計。采用減隔震技術(shù)可以有效地提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力,但也有一定的適用條件。結(jié)合圖1和圖2可以看出最適宜進行減隔震設(shè)計的情況主要有以下3種:橋梁上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)形式,下部結(jié)構(gòu)剛度比較大,整個橋的基本周期比較短;橋梁下部結(jié)構(gòu)高度變化不規(guī)則,剛度不均勻,引入減隔震裝置可調(diào)節(jié)各橋墩剛度,因而可以避免剛度較大橋墩承擔(dān)很大慣性力的情況;場地條件較好,預(yù)期地面運動具有較高的卓越頻率,長周期范圍所含能量較少等情況。而對于基礎(chǔ)土層不穩(wěn)定,易發(fā)生液化的場地;下部結(jié)構(gòu)較柔,橋梁結(jié)構(gòu)本身的固有周期較長;位于軟弱場地,延長周期可能引起地基與橋梁共振以及支座中出現(xiàn)較大負反力等情況,不宜采用隔震技術(shù)。2橋縱橋向方面的抗震問題連續(xù)梁橋在我國應(yīng)用非常廣泛,中小跨徑的橋梁和大型橋梁工程的引橋通常采用連續(xù)梁橋的形式。連續(xù)梁橋縱橋向通常只在跨中部位設(shè)置固定支座,地震力作用時,橋面系的慣性力主要由固定墩傳遞給基礎(chǔ),固定墩和固定墩下基礎(chǔ)的抗震問題比較突出。因此,本文以一座連續(xù)梁橋為例在反應(yīng)譜分析的基礎(chǔ)上采用2種不同的抗震設(shè)計思想分別對縱橋向進行了抗震設(shè)計,并通過設(shè)計結(jié)果的比較,提出了最終的解決方案。2.1墻式橋墩設(shè)計圖3所示為一座5跨單跨40m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的立面,主梁斷面為鋼筋混凝土單箱單室箱形斷面,梁寬13.5m、高2.371m;圖4是主梁跨中斷面。橋墩為墻式橋墩,墩高從11.734m到15.325m不等;圖5為設(shè)計中墩平面;圖6為設(shè)計邊墩平面。基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),直徑1.5m。支座情況為3#墩上為固定支座,其余墩上為滑動支座。材料方面主梁、橋墩、樁基均為混凝土,標號分別為C50、C40和C30。場地土類型屬中硬土,場地類別屬Ⅱ類。根據(jù)目前抗震設(shè)計方法的發(fā)展水平,采用了兩水平的抗震設(shè)計方法對該橋進行抗震設(shè)計。第一水準(50年超越概率10%)相當(dāng)于設(shè)計地震,第二水準(50年超越概率2%)相當(dāng)于罕遇地震?？拐鹪O(shè)防烈度為八度。2.2有限元模型的建立計算模型采用三維空間有限元分析模型。橋墩、主梁等構(gòu)件,均采用三維空間梁單元進行模擬,反應(yīng)譜分析時假定構(gòu)件為彈性,采用考慮截面開裂的等效剛度模擬,樁基礎(chǔ)的模擬采用沿樁身長度范圍內(nèi)小彈簧模擬土的作用。支座采用三維支座單元進行模擬,線性分析時假定固定支座為鉸接約束,滑動支座滑動方向為自由;非線性時程分析時滑動支座滑動方向采用非線性單元模擬,以考慮支座的摩擦耗能作用。有限元模型見圖7。橋墩標號從左到右依次為1～6。3#墩上設(shè)置固定支座,其余墩上為滑動支座。2.3加速度反應(yīng)譜通過對上述有限元模型的模態(tài)分析知:第1階振型為主梁縱飄,縱橋向地震動輸入時對固定墩墩底內(nèi)力貢獻最大。第2階、第3階振型為主梁橫向振動橋墩橫彎,橫橋向地震動輸入時對各墩墩底內(nèi)力貢獻均較大。針對初步設(shè)計方案,根據(jù)橋址場地地震危險性分析結(jié)果提供的地震動數(shù)據(jù),分別輸入50年10%超越概率和50年2%超越概率地表加速度反應(yīng)譜進行分析,加速度反應(yīng)譜曲線見圖8、圖9。地震動輸入組合為縱橋向+豎向、橫橋向+豎向,其中豎向輸入按水平輸入的2/3計算。表2和表3分別是縱橋向和橫橋向地震動輸入時固定墩墩底和樁身彎矩最大值的計算結(jié)果。計算結(jié)果表明,在設(shè)計地震作用下,橋墩、樁基礎(chǔ)滿足抗震需求;在罕遇地震作用下,縱橋向由于橋面系的地震慣性力通過固定支座傳遞給固定墩,對固定墩內(nèi)力反應(yīng)相當(dāng)不利,固定墩將進入嚴重的塑性狀態(tài);橫橋向由于各墩墩頂與主梁間的剛性約束,多數(shù)橋墩及部分樁基無法滿足抗震需求。因此考慮從延性和減震消能兩方面解決抗震設(shè)計問題。非線性時程分析時,荷載輸入場地地震危險性分析提供的3條人工地震波進行非線性時程反應(yīng)分析,計算結(jié)果取最大值。地表加速度時程曲線分別見圖10、圖11。2.4主動墩抗彎能力延性設(shè)計時,在各橋墩的底部適當(dāng)加大截面尺寸并增加該區(qū)域的截面配筋率,提高橋墩的延性,使強震時在墩底產(chǎn)生塑性鉸,并能夠提供設(shè)計預(yù)期的塑性轉(zhuǎn)動能力。同時為了保證在塑性鉸形成之前支座不被破壞,必須使其具有足夠的抗剪能力。地震需求方面,在計算模型中各橋墩墩底采用集中塑性鉸梁單元模擬,定義縱橋向塑性鉸長度為墩底截面縱橋向長度的0.4倍,通過非線性時程分析可得到結(jié)構(gòu)的延性需求,以塑性轉(zhuǎn)角作為延性指標。能力方面,采用有限元程序Ucfyber計算出關(guān)鍵構(gòu)件控制斷面的抗彎能力和延性能力。計算時,混凝土和鋼筋的材料強度取標準值并定義首屈彎矩為主筋開始發(fā)生屈服時的斷面彎矩值;極限彎矩為鋼筋或混凝土應(yīng)變首先達到表4中設(shè)定的中等破壞的數(shù)值時的斷面彎矩值。極限曲率與首屈曲率的差值與塑性鉸長度的乘積即為塑性轉(zhuǎn)角,它是變形驗算中構(gòu)件塑性鉸允許轉(zhuǎn)角的上限。分析表明采用延性抗震方案后,樁基強度滿足要求,固定墩發(fā)生塑性變形,墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角需求小于能力但接近中等破壞。墩梁相對位移最大值為22.6cm。罕遇地震作用下固定墩的最大塑性轉(zhuǎn)角的需求與能力見表5。延性設(shè)計主要結(jié)果見表7。2.5鋼阻尼器參數(shù)分析考慮到結(jié)構(gòu)在正常使用狀態(tài)下的功能要求,需要設(shè)置固定支座與單向滑動支座,為實現(xiàn)隔震,沿縱橋向在各墩墩頂與主梁之間設(shè)置具有有限抗剪能力的支座,以釋放墩梁之間的剛性約束,使得強震時橋墩的地震力需求不超過其能力。同時,在固定墩墩梁之間設(shè)置阻尼器控制墩梁之間的相對位移。在計算分析時分別采用彈塑性鋼阻尼器和粘滯性油阻尼器進行參數(shù)分析,在計算模型中分別用Wen塑性模型模擬彈塑性鋼阻尼器,用damper單元模擬粘滯型油阻尼器。圖12是對鋼阻尼器屈服力進行參數(shù)分析的結(jié)果,圖13是油阻尼器阻尼指數(shù)取值分別為0.3和1.0時對阻尼系數(shù)進行分析的結(jié)果。從圖12可以看出鋼阻尼器屈服力取600kN時墩梁相對位移最小。從圖13中可以看出阻尼指數(shù)為1.0阻尼系數(shù)為16000時墩梁相對位移最小。通過圖12與圖13的比較分析可以看出,采用鋼阻尼器與采用油阻尼器對控制墩梁相對位移效果比較接近,且墩梁相對位移對阻尼器噸位不很敏感。由于鋼阻尼器構(gòu)造簡單、性能穩(wěn)定、比液體粘滯阻尼器更為經(jīng)濟,因此,本文采用了一種鋼阻尼器,其布置和構(gòu)造分別見圖14、圖15。計算結(jié)果表明,采用減隔震設(shè)計可以明顯降低下部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),有效減小固定墩及墩下樁基的內(nèi)力。同時,采用阻尼器裝置有效控制了墩梁間的相對位移。結(jié)構(gòu)抗震滿足預(yù)期性能要求,有效解決了八度區(qū)的松原二橋引橋縱橋向的抗震問題。表6是固定墩墩底及樁基內(nèi)力。2.6截面尺寸、配筋率延性設(shè)計增加工程量,并造成結(jié)構(gòu)的損傷;采用減隔震設(shè)計不需要增大截面尺寸和配筋率就可以滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)力需求,且比較富裕,下部結(jié)構(gòu)的工程量可顯著減小。表7列出了延性抗震設(shè)計方案與減隔震設(shè)計方案設(shè)計結(jié)果的主要內(nèi)容。3橋向的地震反應(yīng)通過對該橋縱橋向的延性與減震消能抗震設(shè)計,可以得到以下幾點結(jié)論:①利用結(jié)構(gòu)延性進行抗震設(shè)計時,通過增大下部結(jié)構(gòu)斷面尺寸和配筋率,可提高結(jié)構(gòu)延性,用以抵抗縱橋向的地震作用。計算結(jié)果表明延性設(shè)計能夠滿足預(yù)期抗震性能要求,但在罕遇地震時固定墩將進