昆明東北二號立交系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)

昆明東北二號立交系統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)

2008年10月1日，國家發(fā)布了jtgtb02-01-2008年道路橋梁的防滑設(shè)計(jì)細(xì)則（以下簡稱“08防滑細(xì)節(jié)”），而原jtj04-1989《道路防滑設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）的相應(yīng)部分對橋梁的設(shè)計(jì)和施工提出了更嚴(yán)格的抗疲勞動要求。1新舊抗疲勞標(biāo)準(zhǔn)的比較1.1《05抗震準(zhǔn)則》及《選用的抗震設(shè)計(jì)法《規(guī)范》采用一階段設(shè)計(jì),即彈性抗震設(shè)計(jì),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(jìn)行必要的延性抗震設(shè)計(jì)。《08抗震細(xì)則》采用二階段設(shè)計(jì)法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)?？拐鹪O(shè)防目標(biāo)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(shè)計(jì),即E1地震作用的抗震設(shè)計(jì),采用彈性抗震設(shè)計(jì);第二階段的抗震設(shè)計(jì),即E2地震作用的抗震設(shè)計(jì),采用延性抗震設(shè)計(jì)方法,并引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及復(fù)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(jì)算方法已能較準(zhǔn)確地反映地震動力響應(yīng)特性,滿足規(guī)范要求的預(yù)期抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo),因此,可以采用《08抗震細(xì)則》的簡化公式計(jì)算方法計(jì)算出地震力作用下的水平地震力來進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)及復(fù)核。對于規(guī)則橋梁水平地震力簡化計(jì)算公式,《08抗震細(xì)則》只采用新的重要性系數(shù)作為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)地震動參數(shù),其值與《規(guī)范》基本相當(dāng)。《08抗震細(xì)則》增加了由場地類型及抗震設(shè)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(yīng)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?！?8抗震細(xì)則》以重現(xiàn)期為475a的地震動加速度峰值A(chǔ)為基準(zhǔn),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(shè)計(jì)及水平設(shè)防目標(biāo)。1.3抗側(cè)墩柱延性地震中導(dǎo)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(chǔ)失效導(dǎo)致橋梁破壞。為了防止以上情況的發(fā)生,《08抗震細(xì)則》強(qiáng)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(chǔ)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(dá)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(chǔ)及抗剪強(qiáng)度要滿足能力保護(hù)構(gòu)件要求。2工程抗疲勞工程的實(shí)例分析2.1風(fēng)對梁板結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)昆明東北二環(huán)立交系統(tǒng)工程屬于城市大型復(fù)雜立交系統(tǒng),處于地震斷裂帶上,故抗震設(shè)防等級較高,需對橋梁進(jìn)行嚴(yán)格的抗震計(jì)算及設(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)過程中需篩選控制性結(jié)構(gòu)進(jìn)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(xì)則》進(jìn)行抗震分析,主要工作有:計(jì)算結(jié)構(gòu)(節(jié)段)選取、結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算、能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。其中,計(jì)算結(jié)構(gòu)的選取是整個設(shè)計(jì)的前提。2.2槽內(nèi)地震作用復(fù)核本工程采用《08抗震細(xì)則》的反應(yīng)譜方法,即簡化公式計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算及復(fù)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(yīng)譜特征本工程所在地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度,抗震設(shè)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(shè)計(jì)基本地震動加速度峰值A(chǔ)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(yīng)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(diǎn),可分為若干獨(dú)立的子結(jié)構(gòu)。對于特大型立交系統(tǒng)而言,往往可細(xì)分為幾十甚至上百段子結(jié)構(gòu),但實(shí)際結(jié)構(gòu)分析中,不可能也無需逐段進(jìn)行抗震分析,應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)意圖、相似結(jié)構(gòu)及地震動特點(diǎn),選擇具有代表性的若干子結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dú)影響抗震設(shè)計(jì),綜合考慮又有許多種組合,為了使設(shè)計(jì)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(jìn)行截面復(fù)核。考慮到墩柱尺寸與橋?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?biāo)。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(chǔ)變形剛度計(jì)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(xì)則》的簡化公式計(jì)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(xì)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(diǎn)所引起的水平位移δs、基礎(chǔ)頂面的水平位移,按照J(rèn)TGD63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中“m法計(jì)算彈性樁水平位移及作用效應(yīng)”計(jì)算得出。根據(jù)公式得出的順橋向和橫橋向地震作用效應(yīng)與永久作用效應(yīng)組合后,按現(xiàn)行的JTGD62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中偏心受壓構(gòu)件的規(guī)定驗(yàn)算彈性狀態(tài)下橋墩的強(qiáng)度,確定墩柱的縱筋配置。2.6環(huán)境保護(hù)組件的設(shè)計(jì)1樁基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)構(gòu)單柱墩的底部區(qū)域?yàn)闈撛谒苄糟q區(qū)域,根據(jù)E1地震作用計(jì)算而確定的配筋,采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和最不利軸力計(jì)算得出順橋向及橫橋向極限彎矩值(考慮超強(qiáng)系數(shù)Ф°),然后在此彎矩值、相對應(yīng)的剪力值及軸力值的作用下,選擇合適的樁基礎(chǔ)直徑及組合,使得樁基礎(chǔ)保持彈性狀態(tài),按JTGD63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》驗(yàn)算樁基礎(chǔ)的承載能力。本立交工程樁基礎(chǔ)計(jì)算結(jié)構(gòu)同樣存在多因素影響性:極限彎矩對應(yīng)的彎矩值由墩柱配筋(墩柱尺寸)確定;極限彎矩對應(yīng)的剪力值與墩柱高度有關(guān);極限彎矩對應(yīng)的軸力值與橋?qū)?、跨?shù)及跨徑有關(guān)。為了簡化計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)。由于樁基礎(chǔ)除了需滿足抗彎強(qiáng)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(chǔ)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(chǔ)需采用3樁或4樁及以上群樁基礎(chǔ),驗(yàn)算其強(qiáng)度能滿足能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)要求。9.5m、8m橋?qū)捲训罉蛄旱墓潭ǘ瘴恢脴痘A(chǔ)采用雙樁基礎(chǔ),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(jì)算結(jié)構(gòu),驗(yàn)算其強(qiáng)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(qiáng)度滿足要求。2確定最佳彎矩范圍根據(jù)E1地震作用計(jì)算而確定的配筋,采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值和最不利軸力計(jì)算得出順橋向及橫橋向極限彎矩值(考慮超強(qiáng)系數(shù)Ф°)。在此彎矩值及相對應(yīng)的剪力值作用下,進(jìn)行墩柱塑性鉸區(qū)域的箍筋配置,并按《08抗震細(xì)則》驗(yàn)算墩柱的抗剪強(qiáng)度。3不同因素對抗強(qiáng)計(jì)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(jìn)行計(jì)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?yàn)樵谙嗤孛娉叽缦?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?yàn)榈卣鹆εc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(jìn)行抗震計(jì)算及設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)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)挕⒖鐝浇Y(jié)構(gòu)及墩高的橋梁,墩柱截面尺寸的選擇是一個復(fù)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(hù)構(gòu)件如基礎(chǔ)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(hù)1)選擇合適的墩柱截面。截面過小,E1地震作用下抗彎強(qiáng)度不滿足;截面過大,將會引起墩柱極限承載力過大,導(dǎo)致基礎(chǔ)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(yīng)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(shè)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(shè)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(dá)到一定的抗震效果(但在選擇墩頂尺寸時,應(yīng)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?yàn)楣拷罴用軈^(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(qiáng)度驗(yàn)算確定。8)獨(dú)柱墩下結(jié)點(diǎn)與承臺連接處應(yīng)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(diǎn)在地震中的破壞