昆明東北二號立交系統(tǒng)抗震設計

昆明東北二號立交系統(tǒng)抗震設計

2008年10月1日，國家發(fā)布了jtgtb02-01-2008年道路橋梁的防滑設計細則（以下簡稱“08防滑細節(jié)”），而原jtj04-1989《道路防滑設計規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）的相應部分對橋梁的設計和施工提出了更嚴格的抗疲勞動要求。1新舊抗疲勞標準的比較1.1《05抗震準則》及《選用的抗震設計法《規(guī)范》采用一階段設計,即彈性抗震設計,假定結(jié)構(gòu)是彈性狀態(tài),采用“綜合影響系數(shù)”來反映彈塑性動力特性,但沒有進行必要的延性抗震設計。《08抗震細則》采用二階段設計法進行抗震設計。抗震設防目標A類橋梁:中震不壞,大震可修;B、C類橋梁:小震不壞,中震可修,大震不倒。第一階段的抗震設計,即E1地震作用的抗震設計,采用彈性抗震設計;第二階段的抗震設計,即E2地震作用的抗震設計,采用延性抗震設計方法,并引入能力保護設計原則,確保塑性鉸只在選定的位置出現(xiàn),不出現(xiàn)剪切破壞,即不出現(xiàn)脆性的破壞模式。1.2抗震設計及復核根據(jù)目前積累的大量震害情況及理論研究成果,對于規(guī)則橋梁,采用簡化公式計算方法已能較準確地反映地震動力響應特性,滿足規(guī)范要求的預期抗震設計性能目標,因此,可以采用《08抗震細則》的簡化公式計算方法計算出地震力作用下的水平地震力來進行抗震設計及復核。對于規(guī)則橋梁水平地震力簡化計算公式,《08抗震細則》只采用新的重要性系數(shù)作為設計地震動參數(shù),來替代《規(guī)范》采用重要性系數(shù)及綜合影響系數(shù)共同考慮的設計地震動參數(shù),其值與《規(guī)范》基本相當?！?8抗震細則》增加了由場地類型及抗震設防烈度共同調(diào)整的場地系數(shù)Cs,并采用場地類型及區(qū)劃圖上的特征周期共同調(diào)整的橋址反應譜特征周期Tg,注重考慮不同橋址場地條件對地震的顯著影響,更客觀地反映各種因素對地震的影響。《08抗震細則》以重現(xiàn)期為475a的地震動加速度峰值A為基準,即中震(重現(xiàn)期475a)的抗震重要性系數(shù)Ci取1.0,來考慮不同的抗震重要性系數(shù)Ci(見表1),以完成各橋梁類型下的兩階段設計及水平設防目標。1.3抗側(cè)墩柱延性地震中導致橋梁破壞的主要原因有:墩柱不具備足夠的延性能力發(fā)生彎曲破壞或抗剪能力不足產(chǎn)生剪切破壞;基礎失效導致橋梁破壞。為了防止以上情況的發(fā)生,《08抗震細則》強調(diào)充分發(fā)揮墩柱的延性能力,塑性鉸的位置選擇在墩柱上,墩柱可以發(fā)生彈塑性變形,耗散地震能量;樁基礎如發(fā)生損傷,將難以發(fā)現(xiàn)并且維修困難,故需保證其在墩柱達到塑性變形時仍處于彈性狀態(tài),且墩柱塑性鉸區(qū)域不發(fā)生剪切破壞,即基礎及抗剪強度要滿足能力保護構(gòu)件要求。2工程抗疲勞工程的實例分析2.1風對梁板結(jié)構(gòu)的設計昆明東北二環(huán)立交系統(tǒng)工程屬于城市大型復雜立交系統(tǒng),處于地震斷裂帶上,故抗震設防等級較高,需對橋梁進行嚴格的抗震計算及設計。本工程結(jié)構(gòu)形式(包括混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁及鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁、各聯(lián)跨徑組合、橋面寬度、上部梁高種類)較多,橋梁高度起伏較大,各類型墩柱剛度差異較大,所以,設計過程中需篩選控制性結(jié)構(gòu)進行橋梁抗震分析,考慮各種可能出現(xiàn)的最不利情況。本工程根據(jù)《08抗震細則》進行抗震分析,主要工作有:計算結(jié)構(gòu)(節(jié)段)選取、結(jié)構(gòu)抗震計算、能力保護構(gòu)件設計和抗震構(gòu)造措施設計。其中,計算結(jié)構(gòu)的選取是整個設計的前提。2.2槽內(nèi)地震作用復核本工程采用《08抗震細則》的反應譜方法,即簡化公式計算方法進行計算及復核,分別考慮水平順橋向和水平橫橋向的地震作用。上部構(gòu)造為連續(xù)梁結(jié)構(gòu);中間墩柱采用固定盆式支座,其余墩采用單向或雙向盆式支座。因此,一聯(lián)結(jié)構(gòu)順橋向地震力由固定支座墩承受,橫橋向地震力由一聯(lián)內(nèi)各個墩共同承受。2.3地震反應譜特征本工程所在地區(qū)的抗震設防烈度為8度,抗震設防類別為B類橋梁,E1地震作用下抗震重要性系數(shù)Ci為0.43,設計基本地震動加速度峰值A為0.20g,場地為Ⅲ類建筑場地,區(qū)劃圖上的特征周期為0.40,地震反應譜特征周期Tg為0.55s,場地系數(shù)Cs為1.2。2.4結(jié)構(gòu)體系分析本工程結(jié)構(gòu)以各伸縮縫為分界點,可分為若干獨立的子結(jié)構(gòu)。對于特大型立交系統(tǒng)而言,往往可細分為幾十甚至上百段子結(jié)構(gòu),但實際結(jié)構(gòu)分析中,不可能也無需逐段進行抗震分析,應根據(jù)設計意圖、相似結(jié)構(gòu)及地震動特點,選擇具有代表性的若干子結(jié)構(gòu)進行抗震分析,得到一般性結(jié)論。表2中結(jié)構(gòu)基本代表了本工程中出現(xiàn)的各類橋段情況,具有典型性。結(jié)構(gòu)類型劃分的影響因素包括橋?qū)?、一?lián)長度、一聯(lián)最大跨度、固定墩高度。這些影響因素都能單獨影響抗震設計,綜合考慮又有許多種組合,為了使設計工作簡化明確,先以單個最主要的控制因素來初步假定墩柱尺寸,再綜合其余因素進行截面復核?？紤]到墩柱尺寸與橋?qū)挼谋壤齾f(xié)調(diào)性及美觀統(tǒng)一性,采用橋?qū)捵鳛槌跏伎刂浦笜?。在相同橋?qū)捪?順橋向最不利地震力由最大聯(lián)長控制,橫橋向最不利地震力由最大跨度控制。2.5梁橋基礎變形剛度計算公路橋結(jié)構(gòu)的基本周期本文以單柱墩為分析對象,采用《08抗震細則》的簡化公式計算方法得出順橋向作用于支座頂面及橫橋向作用于上部構(gòu)造質(zhì)量重心上的地震力。公式中“橋墩的自振周期T”根據(jù)《08抗震細則》的梁橋結(jié)構(gòu)基本周期的近似公式得出。公式中順橋向作用于支座頂面或橫橋向作用于上部構(gòu)造質(zhì)量重心上的單位水平力在該點所引起的水平位移δs、基礎頂面的水平位移,按照JTGD63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》中“m法計算彈性樁水平位移及作用效應”計算得出。根據(jù)公式得出的順橋向和橫橋向地震作用效應與永久作用效應組合后,按現(xiàn)行的JTGD62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》中偏心受壓構(gòu)件的規(guī)定驗算彈性狀態(tài)下橋墩的強度,確定墩柱的縱筋配置。2.6環(huán)境保護組件的設計1樁基礎計算結(jié)構(gòu)單柱墩的底部區(qū)域為潛在塑性鉸區(qū)域,根據(jù)E1地震作用計算而確定的配筋,采用材料強度標準值和最不利軸力計算得出順橋向及橫橋向極限彎矩值(考慮超強系數(shù)Ф°),然后在此彎矩值、相對應的剪力值及軸力值的作用下,選擇合適的樁基礎直徑及組合,使得樁基礎保持彈性狀態(tài),按JTGD63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》驗算樁基礎的承載能力。本立交工程樁基礎計算結(jié)構(gòu)同樣存在多因素影響性:極限彎矩對應的彎矩值由墩柱配筋(墩柱尺寸)確定;極限彎矩對應的剪力值與墩柱高度有關(guān);極限彎矩對應的軸力值與橋?qū)挕⒖鐢?shù)及跨徑有關(guān)。為了簡化計算工作,同樣采用“關(guān)鍵控制因素假定法”來選取有代表性的計算結(jié)構(gòu)。由于樁基礎除了需滿足抗彎強度要求外,還需滿足豎向承載力要求,因此采用豎向承載力要求來初步假定樁基礎直徑及組合。由豎向承載力因素得出:13、17m橋?qū)捴骶€橋梁的固定墩位置樁基礎需采用3樁或4樁及以上群樁基礎,驗算其強度能滿足能力保護構(gòu)件設計要求。9.5m、8m橋?qū)捲训罉蛄旱墓潭ǘ瘴恢脴痘A采用雙樁基礎,需根據(jù)不同軸力值(由跨數(shù)及跨徑控制)及剪力值(由墩高控制)組合選取計算結(jié)構(gòu),驗算其強度是否滿足要求;如不滿足,需增大樁徑或加大配筋直至其強度滿足要求。2確定最佳彎矩范圍根據(jù)E1地震作用計算而確定的配筋,采用材料強度標準值和最不利軸力計算得出順橋向及橫橋向極限彎矩值(考慮超強系數(shù)Ф°)。在此彎矩值及相對應的剪力值作用下,進行墩柱塑性鉸區(qū)域的箍筋配置,并按《08抗震細則》驗算墩柱的抗剪強度。3不同因素對抗強計的影響3.1回用果不同為了研究不同墩高對墩柱自振周期、墩頂?shù)卣鹆岸盏讖澗氐挠绊?在上部結(jié)構(gòu)及墩柱尺寸(2.0m×1.4m)相同的情況下,分別取墩高H=5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、22.5、25、27.5和30m進行計算,其分析結(jié)果如表3所示。由表3可知,墩柱的自振周期隨著墩高的增大而增大。這是因為在相同截面尺寸下,墩柱越矮剛度越大,周期越小,而墩柱越高(即越柔),周期越大;墩頂水平地震力隨著墩高的增大而減小,這是因為地震力與周期成反比,墩柱越柔地震力越小。地震力產(chǎn)生的墩底彎矩值與墩高有關(guān)系,規(guī)律有所不同。從圖1中可明顯地看出,對于順橋向,墩底彎矩值基本是隨著墩高的增大而減小,呈現(xiàn)平順遞減走勢;對于橫橋向,墩底彎矩值隨著墩高的增大先遞增再遞減,在墩高10m處彎矩值最大。在大型立交工程中,相同橋?qū)捈翱鐝浇Y(jié)構(gòu)一般存在許多種類墩高,如何選取控制性墩高進行抗震計算及設計是一個重要的問題。從以上研究分析可得出:對于順橋向,選取高寬比為3.75時的墩高,其墩底彎矩值為最不利值;對于橫橋向,選取高寬比為5時的墩高,其墩底彎矩值為最不利值。3.2參數(shù)截面尺寸為了研究不同截面墩柱尺寸對墩柱自振周期、墩頂?shù)卣鹆岸盏讖澗氐挠绊?在上部結(jié)構(gòu)及墩柱高度(15m)相同的情況下,分別取墩柱截面尺寸為2.8m×1.4m、2.0m×1.4m、1.8m×1.4m、1.5m×1.4m進行計算,其分析結(jié)果如表4所示。由表4可知,對于某一特定橋?qū)?、跨徑結(jié)構(gòu)及墩高的橋梁,墩柱截面尺寸的選擇是一個復雜的問題。選擇較大截面(剛度較大,墩底彎矩就較大),使得E1地震作用下的墩柱縱向配筋增加,其極限彎矩值也越大,能力保護構(gòu)件如基礎構(gòu)件的尺寸也將越大;選擇較小截面,墩底彎矩減小,但截面尺寸較小,可能使截面配筋率過高。因而,對這種循環(huán)相互影響的問題,需通過墩柱截面尺寸的初步假定來試算確定。4梁端至墩柱邊界層防護1)選擇合適的墩柱截面。截面過小,E1地震作用下抗彎強度不滿足;截面過大,將會引起墩柱極限承載力過大,導致基礎構(gòu)件尺寸過大。2)一聯(lián)橋梁中,特別是接橋臺的那一聯(lián)結(jié)構(gòu),不宜選擇矮墩作為固定支座墩。這是因矮墩剛度較大,對結(jié)構(gòu)抗震不利。3)邊梁梁端至墩柱邊緣應有一定的距離,以防止地震作用下發(fā)生縱向落梁。4)橋墩與上部構(gòu)造之間設置鋼筋混凝土橫向限位擋塊或鋼錨栓,以防止地震作用下橫向位移過大引起落梁。5)橋臺背墻與梁端間設置橡膠墊塊,以緩和水平地震荷載的沖擊。6)立交工程采用抗震型盆式橡膠支座,可增大支座的耗能能力,達到一定的抗震效果(但在選擇墩頂尺寸時,應核算支座尺寸是否超出墩頂尺寸)。7)單柱墩底部塑性鉸區(qū)域為箍筋加密區(qū),加密區(qū)長度取墩柱截面的長邊尺寸或H/5(H為墩高)兩者中的大值,加密箍筋間距取10cm,直徑及肢數(shù)由墩柱抗剪強度驗算確定。8)獨柱墩下結(jié)點與承臺連接處應保持垂直墩柱配筋和橫向箍筋的連續(xù)性,防止薄弱結(jié)點在地震中的破壞