高烈度區(qū)梁式渡槽減隔震設(shè)計(jì)研究

何俊榮，尤 嶺，李世平，王倫文

(長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010)

近年來，渡槽因其較好的跨越能力與適應(yīng)性被普遍應(yīng)用于各項(xiàng)輸水工程。然而渡槽的抗震問題是水工結(jié)構(gòu)抗震領(lǐng)域較為棘手的問題，理論成果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)都比較缺乏[1]。滇中引水工程輸水渡槽多位于地震基本烈度為8度的高烈度區(qū)，地震作用成為渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制性工況，因此渡槽減隔震設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性具有極其重要的意義。同時(shí)，由于渡槽上部結(jié)構(gòu)恒載大，具有“頭重、腳輕、身柔”的特點(diǎn)，下部結(jié)構(gòu)往往成為抗震設(shè)計(jì)中最薄弱的部位。本文結(jié)合滇中引水工程某輸水渡槽的抗震分析，主要對(duì)下部結(jié)構(gòu)的抗震安全性做出評(píng)價(jià)，并選取合理的工程措施進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)，為類似渡槽設(shè)計(jì)提供一定參考。

1 工程概況

某梁式渡槽為大理Ⅰ段大型輸水渡槽，如圖1所示，主體建筑屬于1級(jí)建筑物，設(shè)計(jì)流量135m3/s，采用雙線U形布置。槽身段總長(zhǎng)510.0m，為相互獨(dú)立的雙槽預(yù)應(yīng)力混凝土U形結(jié)構(gòu)，單跨30m，共17跨，槽身高度7.0m，兩端簡(jiǎn)支。為增加結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，在槽身頂部間隔2.5m設(shè)置一拉桿，槽身之間設(shè)置蓋板。

下部結(jié)構(gòu)為圓端形空心墩加樁基礎(chǔ)，如圖2所示，槽墩帽梁高4.5m，平面尺寸(長(zhǎng)×寬)10.8m×6.1m；墩身縱向壁厚0.8m，橫向壁厚1.0m，圓端半徑1.6m，墩身高度9.0～30.0m；承臺(tái)平面尺寸(長(zhǎng)×寬)21.7m×11.7m，厚3.5m；基礎(chǔ)采用16根直徑1.5m的鉆孔灌注樁，呈6排梅花形布置。

圖1 渡槽總體布置圖(單位：cm)

圖2 渡槽橫斷面圖(單位：cm)

2 抗震模型的建立

2.1 地震動(dòng)參數(shù)

工程區(qū)地震基本烈度為8度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度采用基準(zhǔn)期50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度值，根據(jù)工程區(qū)場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，設(shè)計(jì)地震水平向加速度代表值為2.99m/s2，特征周期0.45s，阻尼比取0.05，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線如圖3所示。

圖3 工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線

2.2 分析方法

本文抗震計(jì)算采用較為精細(xì)的時(shí)程分析法，地震動(dòng)時(shí)程采用安評(píng)報(bào)告中設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的3條地震時(shí)程波進(jìn)行計(jì)算，如圖4所示，計(jì)算結(jié)果取其中最大值。

2.3 計(jì)算模型

本渡槽單跨跨徑30m，為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，選取能反映整體結(jié)構(gòu)主要形態(tài)的部分結(jié)構(gòu)，輔以適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件進(jìn)行計(jì)算分析，就可滿足工程需要。本渡槽最大墩高為6#和13#槽墩，均為30m；最小墩高為9#槽墩，僅9m。為反映出地震作用下，高墩與矮墩之間不同抗推剛度的影響，選取涵蓋了最大和最小墩高并具有代表性的第4跨至第13跨進(jìn)行建模計(jì)算。三維空間有限元抗震計(jì)算模型采用MIDAS/CIVIL軟件建立，渡槽有限元計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的加速度時(shí)程曲線

圖5 渡槽有限元計(jì)算模型

2.4 邊界條件模擬

樁基礎(chǔ)考慮樁土相互作用影響，樁土作用按土體的等效彈簧進(jìn)行模擬，土彈簧剛度采用m法計(jì)算。兩邊渡槽的作用力以集中質(zhì)量的形式分別施加在第4跨和第13跨邊墩蓋梁頂部支座中心的高度位置，包括一跨槽身混凝土和槽中水體自重的一半。地震作用下槽體內(nèi)的動(dòng)水壓力按照GB/T 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]分為沖擊動(dòng)水壓力和對(duì)流動(dòng)水壓力兩部分進(jìn)行模擬。抗震分析時(shí)考慮支座的影響，普通活動(dòng)盆式橡膠支座可參考JGT/T 1302- 01- 2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[3]采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬。

3 地震響應(yīng)分析

3.1 自振特性

采用上述計(jì)算模型，利用多重Ritz向量法對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)行分析，前10階固有頻率結(jié)果見表1。

表1 渡槽固有頻率(前10階)

由固有頻率表可知前6階頻率從1.005～1.243Hz均為順槽向不同跨振動(dòng)為主的模態(tài)振型，只是因?qū)?yīng)槽墩高度差而出現(xiàn)頻率的差異，第7階(對(duì)應(yīng)頻率1.280Hz)和第8階出現(xiàn)橫槽向振動(dòng)模態(tài)。

3.2 線性時(shí)程分析

設(shè)計(jì)地震作用下，按上述模型計(jì)算出渡槽下部結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面時(shí)程分析的最不利內(nèi)力響應(yīng)值及校核指標(biāo)值見表2—3。

表2 縱向地震作用下墩底最不利內(nèi)力及校核指標(biāo)

注：表中軸力以受拉為正，受壓為負(fù)，下同。

表3 橫向地震作用下墩底最不利內(nèi)力及校核指標(biāo)

由表2—3可以看出，渡槽槽墩在地震作用下均處于受壓狀態(tài)，縱向地震作用下4#～7#槽墩底截面彎矩響應(yīng)值均超過初始屈服彎矩進(jìn)入塑性，但未超過等效屈服彎矩；橫向地震作用下，除8#、9#、10#槽墩外，其余墩底截面彎矩響應(yīng)值均已超過截面等效屈服彎矩。顯然不能滿足設(shè)計(jì)地震下的構(gòu)件性能要求，應(yīng)考慮采取有效的減隔震措施進(jìn)行減震耗能設(shè)計(jì)。

4 減隔震設(shè)計(jì)

4.1 減隔震裝置選取

近年來，國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員研制并開發(fā)了許多類型的減隔震裝置，其中不少已應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中，并經(jīng)歷了地震的考驗(yàn)。其中減隔震支座是通過自身的剪切變形延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期、增加結(jié)構(gòu)阻尼，從而消耗地震能量，有效減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的裝置，被廣泛運(yùn)用于橋梁結(jié)構(gòu)中[4]。目前，國(guó)內(nèi)外使用較多的減隔震支座有疊層橡膠類支座、彈塑性防落梁球型鋼支座、摩擦擺隔震支座、拉索減隔震支座等。

渡槽與橋梁結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)高度相似，且上部結(jié)構(gòu)恒載大具有頭重、腳輕的特點(diǎn)，采用摩擦擺隔震支座利用上部結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生摩擦力進(jìn)行耗可能會(huì)達(dá)到較好的效果。

4.2 減震原理及力學(xué)模型

摩擦擺隔震支座嵌在滑塊容腔中的鉸接滑塊與滑動(dòng)面具有相同的曲率半徑，可與滑動(dòng)面完全貼合并使上支座板在支座滑動(dòng)時(shí)始終保持水平，其運(yùn)動(dòng)形式如圖6所示。滑動(dòng)面上涂有低摩擦材料，可在滑動(dòng)過程中耗散能量，當(dāng)滑動(dòng)界面受到的地震作用超過靜摩擦力時(shí)，地面水平運(yùn)動(dòng)會(huì)促使滑塊在其圓弧面內(nèi)滑動(dòng)，從而迫使上部結(jié)構(gòu)輕微抬高，發(fā)生單擺運(yùn)動(dòng)，同時(shí)支座能依靠其承受的重力自動(dòng)往中心位置回復(fù)，使地震響應(yīng)得到控制。

圖6 摩擦擺隔震支座運(yùn)動(dòng)示意圖

摩擦擺隔震支座的水平力F可表示為滑動(dòng)面摩擦力與上部結(jié)構(gòu)沿滑道上升產(chǎn)生的恢復(fù)力之和，即

(1)

當(dāng)θ很小時(shí)，式(1)可簡(jiǎn)化為：

(2)

式中,R—滑道及滑塊底部圓弧面半徑；W—滑塊承載質(zhì)量；D—位移；摩擦力f=μW，μ—摩擦系數(shù)；θ—滑塊相對(duì)于滑道豎向?qū)ΨQ軸的轉(zhuǎn)角。

圖7 摩擦擺支座的滯回模型

由式(2)以及支座剛度的各向?qū)ΨQ性，可以將其力學(xué)模型近似取為雙線性模型，如圖7所示，其中Ki=μW/Dy為初始剛度；Dy為屈服位移；Kfps=W/R為支座擺動(dòng)剛度；Keff為等效剛度；Dd為支座設(shè)計(jì)位移[5]。

摩擦擺隔震支座的周期、豎向承載力、阻尼比、側(cè)向位移和抗拉力等指標(biāo)可以進(jìn)行單獨(dú)控制，便于對(duì)隔震系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中動(dòng)摩擦系數(shù)和滑動(dòng)面半徑是控制摩擦擺支座的兩個(gè)主要參數(shù)，考慮到渡槽位于8度區(qū)，本文計(jì)算時(shí)摩擦系數(shù)μ取0.1，摩擦面曲率半徑R取2.0m。

4.3 減震效果對(duì)比

采用前述計(jì)算模型引入摩擦擺隔震支座，進(jìn)行非線性時(shí)程分析，對(duì)比摩擦擺支座的減隔震效果。設(shè)計(jì)地震作用下，以最大墩高6#槽墩和最小墩高9#槽墩墩底截面彎矩為例，其時(shí)程分析結(jié)果如圖8—11所示。各槽墩墩底截面的最大彎矩響應(yīng)值對(duì)比見表4，槽墩墩頂?shù)奈灰祈憫?yīng)值對(duì)比見表5。

圖8 縱向地震下6#槽墩墩底截面彎矩時(shí)程對(duì)比圖

圖9 縱向地震下9#槽墩墩底截面彎矩時(shí)程對(duì)比圖

圖10 橫向地震下6#槽墩墩底截面彎矩時(shí)程對(duì)比圖

圖11 橫向地震下9#槽墩墩底截面彎矩時(shí)程對(duì)比圖

單位：kN·m

表5 采用摩擦擺支座前后槽墩墩頂位移響應(yīng)值對(duì)比 單位：cm

上述分析表明，采用摩擦擺隔震支座后，在設(shè)計(jì)地震下可有效發(fā)揮減震耗能作用，降低槽墩墩底截面彎矩及墩頂位移的響應(yīng)，尤其在橫向地震下的減震效果更為突出。同時(shí)，隨著槽墩墩高減小，墩身剛度越大，支座對(duì)彎矩和位移最大響應(yīng)值的削減越明顯。縱向地震作用下，9#槽墩墩底最大彎矩響應(yīng)值減小達(dá)32.2%，墩頂位移減小達(dá)45.0%；橫向地震作用下，9#槽墩墩底最大彎矩響應(yīng)值減小達(dá)58.7%，墩頂位移減小達(dá)60.0%。

4.4 截面驗(yàn)算

渡槽下部結(jié)構(gòu)槽墩各關(guān)鍵截面最不利內(nèi)力響應(yīng)值及校核指標(biāo)值見表6—7，支座位移及支反力響應(yīng)值見表8。

表6 縱向地震作用下墩底最不利內(nèi)力及校核指標(biāo)

表7 橫向地震作用下墩底最不利內(nèi)力及校核指標(biāo)

表8 非線性時(shí)程分析支座位移及支反力響應(yīng)值

驗(yàn)算結(jié)果表明：

(1)采用減震支座后，對(duì)渡槽下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)值有較大程度的改善，基本滿足設(shè)計(jì)地震下槽墩的性能要求。

(2)縱向地震作用下4#～6#槽墩、橫向地震作用下5#、6#和12#槽墩墩底截面彎矩響應(yīng)雖超過初始屈服彎矩進(jìn)入塑性，但遠(yuǎn)小于截面等效屈服彎矩，其余關(guān)鍵截面彎矩均未超過初始屈服彎矩保持彈性。下階段可在槽墩墩底對(duì)塑性鉸潛在區(qū)域進(jìn)一步展開延性配筋設(shè)計(jì)，合理設(shè)置塑性鉸，進(jìn)一步改善地震作用下渡槽下部結(jié)構(gòu)的受力。

(3)在設(shè)計(jì)地震作用下，支座處于受壓狀態(tài)，并未出現(xiàn)上拔現(xiàn)象，支座承受的最大豎向動(dòng)壓力為10965.1kN，縱向最大位移為12.7cm，橫向最大位移為14.5cm。因此，摩擦擺隔震支座的參數(shù)取值較為合適。

5 抗震設(shè)防構(gòu)造措施

高烈度區(qū)輸水渡槽除采用抗震支座進(jìn)行結(jié)構(gòu)減隔震設(shè)計(jì)外，還應(yīng)考慮增設(shè)抗震設(shè)防構(gòu)造措施，進(jìn)一步增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗震性能、提高抗震安全儲(chǔ)備、減小結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的損傷。

(1)合理設(shè)置渡槽墩臺(tái)帽梁結(jié)構(gòu)尺寸，槽體梁端至帽梁邊緣考慮足夠的安全距離，降低地震作用下落梁的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)在墩臺(tái)擋塊位置處設(shè)置緩沖橡膠墊塊，減緩橫向地震作用下槽體對(duì)擋塊的直接碰撞，并加強(qiáng)擋塊配筋。

(3)參考JGT/1302- 01- 2008，在槽墩墩底潛在塑性鉸區(qū)域進(jìn)行延性構(gòu)造設(shè)計(jì)并加密箍筋配置，合理設(shè)置塑性鉸，提高延性變形能力，進(jìn)一步改善地震作用槽墩和樁基受力。

(4)渡槽結(jié)構(gòu)主筋錨固長(zhǎng)度、搭接長(zhǎng)度及箍筋、拉筋的彎鉤形式，可參考JGT/1302- 01- 2008按照8度區(qū)相關(guān)構(gòu)造要求進(jìn)行配置。

6 結(jié)論

通過對(duì)梁式渡槽進(jìn)行詳細(xì)的抗震分析和減隔震設(shè)計(jì)，可得到以下主要結(jié)論：

(1)渡槽結(jié)構(gòu)的線性時(shí)程分析結(jié)果表明，由于工程區(qū)地震基本烈度達(dá)8度，在縱向、橫向地震作用下，大部分槽墩墩底最大彎矩響應(yīng)值已超過截面等效屈服彎矩，下部結(jié)構(gòu)不能滿足設(shè)計(jì)地震下的構(gòu)件性能要求成為薄弱環(huán)節(jié)，需采取有效的減隔震措施進(jìn)行減震耗能設(shè)計(jì)。

(2)渡槽與橋梁結(jié)構(gòu)具有高度的相似性，而橋梁抗震領(lǐng)域的理論與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相對(duì)完備，可考慮將橋梁抗震領(lǐng)域被廣泛采用的減隔震支座引入渡槽結(jié)構(gòu)中進(jìn)行減震設(shè)計(jì)。

(3)采用減震支座后的非線性時(shí)程分析結(jié)果表明，摩擦擺隔震支座在設(shè)計(jì)地震下可有效發(fā)揮減震耗能作用，降低墩底截面彎矩及墩頂位移的響應(yīng)值，尤其在橫向地震下的減震效果更為突出，較大程度地改善了渡槽下部結(jié)構(gòu)受力。

(4)高烈度區(qū)輸水渡槽除引入抗震支座進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)外，還可借鑒橋梁工程中的相關(guān)抗震設(shè)防構(gòu)造措施，進(jìn)一步提高下部結(jié)構(gòu)抗震安全儲(chǔ)備。

(5)摩擦擺支座雖有很好的隔震效果，但地震作用下殘余變形較大，無法實(shí)現(xiàn)完全自復(fù)位，震后需進(jìn)行更換，且本文非線性分析中采用的支座非線性參數(shù)對(duì)支座技術(shù)要求較為苛刻。后續(xù)可根據(jù)輸水渡槽自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開展對(duì)減隔震支座的專門研究，選用更加合理的減隔震支座。