中外中小跨度梁橋合理搭接長度比較

鄧雅蘭,李建中(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海　200092)

中外中小跨度梁橋合理搭接長度比較

鄧雅蘭,李建中
(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海200092)

摘要:針對我國普遍采用板式橡膠支座的中小跨度梁橋,側重闡述考慮支座的滑動對位移規律的影響。基于某兩跨連續梁橋,研究不同參數時的搭接長度變化,并將各國規范計算搭接長度結果進行比較。結果表明:我國現有規范中搭接長度考慮因素簡單,按規范計算搭接長度偏大;地面加速度峰值、場地類型、墩高變化對地震反應的搭接長度有重要影響;同時考慮橋梁重要性不同,搭接長度的設計也應有所差別。

關鍵詞:板式橡膠支座;滑動效應;中小跨度梁橋;搭接長度

我國西部地區大量采用板式橡膠支座的主梁簡支橋面連續類型橋梁(簡稱橋面連續簡支梁橋)在2008年汶川地震中出現了位移問題,大多數橋梁都有較大的震后殘留位移,其中部分橋梁甚至發生了落梁(廟子坪大橋、南壩大橋等)。在地震中,由于橋梁結構地震位移過大［1],橋墩－主梁、橋臺－主梁或者懸臂剛構橋跨中鉸處主梁－主梁之間的搭接長度不足造成的主梁落梁及橋梁整體倒塌破壞是一種非常嚴重的破壞類型［2],此類破壞的發生造成重大的生命、財產損失,震后橋梁無法短期內修復,需要重新修建,對于震后各種救援運輸工作的恢復產生嚴重影響。此類破壞是應該盡量避免的地震破壞形式。

縱橋向有效搭接長度不足導致的落梁破壞在1971年的San Fernando地震后引起了學者的重視［3]。在該次地震中,多座橋梁發生了落梁倒塌破壞,其中遭受破壞最嚴重的是Golden State Freeway和Antelope Valley Freeway之間的交叉立交橋以及Golden State Freeway和Foothill Freeway之間的立交橋。文獻［3]指出由于地面沒有地震位移殘余變形,因此落梁破壞主要是由于結構振動引起的。由于相鄰梁體間的有效搭接長度不足,缺少有效的連接裝置限制相對位移,地震中結構振動引起的相對位移超過了有效搭接長度而引起落梁。

各國規范中,均將搭接長度作為防落梁的第一線保護措施。本文擬對各國規范中搭接長度的計算公式進行分析對比,研究影響橋梁搭接長度的主要因素,同時結合各國學者的研究成果,分析其計算公式的不足,并根據我國修建的梁橋實際情況,提出連續梁橋分析模型,對比應用各國規范的實際結果。

1　影響橋梁搭接長度的主要因素及計算公式

1.1美國規范

美國AASHTO規范［4]要求對于A、B、C類設防分類的橋梁,垂直于支座中心線的最小搭接長度N為:

式中: L為橋跨長度,m; H為相鄰框架墩柱平均高度,m;α為橋梁傾斜角度,(°)。

最小搭接長度Smin為:

式中K為地震動加速度峰值系數。

地震動加速度峰值系數K的取值如表1所示,其中: apg為地震動加速度峰值; g =9.8 m/s2。

表1　地震動加速度峰值系數取值

對于D類橋梁,應進一步滿足:

式中Δep為相鄰結構中長周期結構的地震位移反應,mm。

美國AASHTO規范中,考慮了橋梁跨徑和相鄰框架墩柱平均高度,將橋梁按照不同重要性分類,乘以不同的地震動加速度峰值系數。美國大多數橋梁結構形式為剛構橋,而我國大部分中小跨度橋梁為板式橡膠支座簡支或連續梁橋。

美國Caltrans規范中指出縱橋向防落梁措施應該主要依靠足夠的搭接長度,限位器僅作為輔助措施,并且規定搭接長度不應小于600 mm［5]。

1.2日本規范

日本規范［6－7]中的防落梁措施通過多重控制來實現,包括對搭接長度的控制要求、防落梁裝置的受力要求、過大位移限制器以及主梁豎向位移限制裝置(支座高度較大時使用)。直橋搭接長度應滿足的條件為:

式中: SE為搭接長度,m,對于斜橋和彎橋,為垂直伸縮縫長度方向的搭接長度; uR為地震水準2作用下的最大墩梁相對位移,m,計算時不考慮防落梁裝置和位移限制器的作用,應考慮場地液化和橋墩幾何變形的影響; uG為地震作用導致的場地變形相對位移,m,uG= eGL,其中eG為場地地震應變,對于Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類場地可分別取0.002 5、0.003 75、0.005,L為計算搭接長度的下部結構間距離,m; SEM為最小搭接長度,m; l為有效跨度,m,當左右跨不同時,取較大值。

斜橋的搭接長度需滿足

式中: SEq為斜橋的搭接長度,m; Lθ為一聯主梁的總長,m;θ為傾斜角,對于兩端傾斜角不同時,取較小值; αE落梁臨界轉角,一般取5°。

彎橋的搭接長度滿足

式中: SEφ為彎橋的搭接長度,m;δ'E為徑向位移,m;φ為彎橋的圓心角,(°)。

日本是一個國土面積37.8萬km2的島嶼國家,位于環太平洋地震帶,地震發生頻率高、震級大,相應搭接長度的需求也大,在日本抗震規范中,搭接長度的控制要求考慮了跨徑布置和連接形式,沒有考慮橋梁的場地條件和橋梁選址,這些因素會共同影響搭接長度的需求。文獻［8]表明,在日本規范中,沒有考慮非一致地震動、碰撞和樁－土相互作用,這些因素的共同作用會增加搭接長度的需求。

1.3歐洲規范

為了給歐洲建筑結構設計和施工提供一個等同的條件,歐洲規范［9]按照建筑結構的材料不同、結構上作用力不同,分別有相應的設計標準。在地震作用下,對橋梁結構中可能發生相對位移的支承部位搭接長度要求如下:

式中: lov為搭接長度,m; lm是保證豎向作用力傳遞所需的最小支承長度,m,≮0.4 m; deg為考慮場地效應橋梁上下部結構的相對位移,m,當橋址位于已知地震活躍帶5 km以內,可能發生6.5級以上地震,且未進行地震安全評估時,deg應按式(2)的兩倍選取; dg為設計地面位移; Lg為距離參數,不同的場地類型下,當橋梁跨度超過這個距離,地面運動可視為不相關; Leff為計算搭接長度,即充分搭接的上、下部結構間距離,充分搭接包括整體澆筑、固定鉸支座、活動鉸支座、阻尼器和無限制力的碰撞擋塊; des為結構畸變產生的有效地震位移,考慮的因素包括松弛、溫度效應、徐變和收縮效應。

歐洲規范對橋梁的搭接長度做了相應的規定。對可能發生相對位移的部位,要求綜合考慮橋梁選址、場地類型、結構材料、梁體和墩柱連接方式和結構的畸變效應。我國是一個幅員遼闊的國家,地震區分布廣泛,地址條件差異大［10],并且各地區經濟發展水平不一,歐洲規范既考慮了統一的必要性、又考慮了各地區的差異性,很值得參考借鑒。

1.4中國規范

文獻［11]中對有效搭接長度的規定主要借鑒了日本規范,并進行了一定的簡化。6度區直橋搭接長度的取值僅要求滿足式(1)的第二部分,忽略了地震產生的結構位移及地面變形對搭接長度的影響;斜橋和彎橋的搭接長度與日本規范相同。對于7度、8度和9度區要求加強橋梁的整體性,采用緩沖裝置、限位裝置、橫橋向擋塊限制位移,橋墩布置避開不穩定地段以及提高碰撞部位的強度等一系列措施來防止落梁［12]。文獻［13]中7度區直橋搭接長度的取值要求滿足式(1)。

中國公路橋梁抗震細則中的搭接長度部分,主要參考的是日本規范中的相關規定［14],沒有考慮不同地區的地震動加速度峰值差異、不同的場地類型以及墩高的變化對搭接長度的影響。中國西南地區地震發生概率大、震級高,而廣大中部及東部地區地震發生概率小、震級低［15],采用統一標準時,可能得到過于保守的搭接長度。

2　各國搭接長度結果分析

圖1　多跨連續梁橋分析模型

根據我國修建的多跨連續梁橋的實際情況,提出了如圖1所示的多跨連續梁橋的分析模型。模型的跨徑布置為2×L,中間橋墩(2#橋墩)為固定墩,采用固定支座,1#和3#橋墩采用滑動摩擦支座。

采用圖1的連續梁分析模型,分別對橋梁結構墩高、跨徑布置、橋梁分類,用日本規范、美國AASHTO規范和歐洲規范計算的墩梁相對位移進行對比分析。通過調整模型墩高H,當橋梁跨度為40 m時,按H =10、15、20、25、30 m取值;取H為10 m時,分別按有效長度l =20、30、40、50、60 m幾種工況進行計算。圖2中列出了美國、日本、歐洲等國家和地區在相同墩高、不同跨徑條件下,根據規范計算所得搭接長度對比。

圖2　相同墩高、不同跨徑的橋梁搭接長度對比

通過圖2a)可以看出,相同墩高條件下,日本、美國和歐洲規范橋梁搭接長度均隨跨徑的增加而變大,跨徑相同時,按日本規范計算的橋梁搭接長度比美國規范中A類橋梁(apg＞0.05g)大300%,按日本規范A類場地條件下計算的搭接長度比歐洲規范大100%;通過圖2b)可以看出,美國規范中考慮不同地震動參數和橋梁設防分類,當墩高相同時,不同分類橋梁搭接長度均隨跨徑增大而增大,相同墩高和跨徑時,地面加速度峰值越高,搭接長度越長,對A類橋梁,apg＞0.05g計算的搭接長度比apg＜0.05g增加了25%,B、C類橋的計算搭接長度比apg＞0.05g的A類橋梁增加了50%;通過圖2c)可以看出,歐洲規范中,相同墩高下,搭接長度隨橋梁跨徑的增加而增加,在本文設置的跨徑下,不同場地類型對搭接長度的影響很小,變化均在5%以內。

在相同跨徑、不同墩高時,美國、日本、歐洲等國家和地區按照規范計算所得的搭接長度對比如圖3所示。

圖3　相同跨徑、不同墩高時的橋梁搭接長度對比

從圖3a)可以看出,日本規范中,沒有考慮墩高對搭接長度的影響,美國規范和歐洲規范中,相同跨徑下,搭接長度均隨墩高的增加而增加,在墩高10 m的工況下,按日本規范計算的搭接長度比美國A類橋梁(apg＞0.05g)大300%,比歐洲規范中A類場地條件下的計算長度大90%;從圖3b)可以看出,美國規范中,相同跨徑時,不同分類設防的橋梁,搭接長度均隨墩高的增加而增加,A類橋梁,apg＞0.05g的橋梁的搭接長度比apg＜0.05g的增加25%,B、C類橋梁的搭接長度比A類(apg＞0.05g)橋梁增加50%;通過圖3c)可以看出,歐洲規范中,相同跨徑時,不同場地條件下的橋梁搭接長度均隨墩高的增加而增加,在本文設置跨徑下,相同墩高不同場地條件的橋梁搭接長度變化在5%以內。

3　結論

1)不同地區的地震動峰值加速度差異會對搭接長度的需求產生影響,日本國土面積小,地震烈度高,我國參考日本規范中搭接長度計算部分,所得需求過大。在今后的搭接長度計算中,可以根據中國地震動峰值加速度區劃,對計算公式作出相應修正。

2)不同的場地類型下,最大墩梁相對位移會有差異,我國規范中沒有考慮場地類型對搭接長度的影響,可以對此作出相應調整。

3)我國是一個幅員遼闊的國家,各地區經濟發展水平不一,考慮各地區的差異性和橋梁設防分類的不同,搭接長度可作相應變化。

4)墩高增大時,墩梁相對位移會增大,我國現有規范中搭接長度沒有考慮墩高變化的影響,在規范搭接長度的計算公式修正時,可以考慮這部分的影響。

5)采用橡膠支座的梁橋,水平力的傳遞靠接觸面的摩擦作用,在地震作用下,橡膠支座與墩頂和梁底的接觸面之間可能會產生滑動,因此尋找該類橋梁在縱向和豎向地震動共同作用下,考慮滑動摩擦效應,發生滑動的位移規律,進而提出針對我國標準中小跨徑梁橋的抗震構造措施中的合理搭接長度計算公式十分必要。

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(責任編輯:郎偉鋒)

Comparative Study on Seating Length of Small-Medium Span Bridge Between China and Foreign Countries

DENG Yalan,LI Jianzhong
(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)

Abstract:According to the girder bridge supported on laminated rubber bearings widely used in China,this paper emphasizes the influence of sliding effect on seismic response.Based on a two-span continuous bridge,the paper proposes a discussion of the required seating length under different effects,such as the value of ground excitation,different ground conditions,height of piers and importance of the bridge.The results show that the recommendation of Chinese design codes for required seating length should be more specified.

Key words:laminated rubber bearing; sliding effect; small-medium span bridges; seating length

作者簡介:鄧雅蘭(1991—),女,長沙人,碩士研究生,主要研究方向為橋梁抗震.

基金項目:國家自然科學基金項目(51278371)

收稿日期:2015－05－25

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.012

文章編號:1672－0032(2015)03－0055－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:U442.55