高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震計算方法的分析

儲昭漢

(上海市政工程設計研究總院(集團)第六設計院有限公司 合肥市 230000)

我國6度及以上地震烈度區(qū)占總國土面積的79%，8度及以上的高地震烈度區(qū)則占8%，這類區(qū)域往往會對橋梁抗震設計提出較高挑戰(zhàn)，而為了保證裝配式規(guī)則橋梁在高地震烈度區(qū)的抗震設計質(zhì)量，正是圍繞高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震計算方法開展具體研究的原因所在。

1 問題分析

1.1 問題探討

由于平原、丘陵等地區(qū)的公路橋梁墩身一般不高，因此設計人員多采用規(guī)則橋梁布置，相較于非規(guī)則橋梁，二者在地震動響應層面存在顯著差異，因此橋梁的抗震設計必須得關注橋梁規(guī)則性，同時還需要采取針對性較強的方法。不同于非規(guī)則橋梁多振型影響，規(guī)則橋梁可以采用單振型模型分析其基本振型控制結構的動力響應，事實上我國橋梁抗震設計規(guī)范涉及的相關橋梁抗震計算方法便多針對規(guī)則橋梁。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，合理的抗震分析方法可較好保證抗震計算精度，而為了較好保障高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震效率、精度，正是研究必須解決的問題[1]。

1.2 工程概況

為提升研究的實踐價值，選擇了某高烈度區(qū)一級公路上的S橋梁作為研究對象，該橋梁的抗震設防烈度為8度，橋位沒有跨線通航要求，場地條件為Ⅰ類，基本峰值加速度、區(qū)劃圖上的特征周期分別為0.3g與0.4s。為保證S橋梁的質(zhì)量和剛度平衡，該橋梁采用了等橋面寬度、等墩高、等跨徑的結構形式，為提高行車平穩(wěn)舒適程度，在深入分析地質(zhì)條件后，設計人員選擇了先簡支后結構連續(xù)預應力混凝土T梁。考慮溫度可能對S橋造成的影響，且溫度影響控制聯(lián)長在160m內(nèi)，因此全聯(lián)在橋臺處設置了80型伸縮縫2道，S橋上部結構則采用了5跨25mT梁，其橋面寬度為12m。

S橋的橋墩高度需盡可能相近，這是為了適應連續(xù)的上部結構，因此選擇了1.4m×1.4m雙柱矩形墩，橋墩的高度為10m。蓋梁、墩柱采用了C40混凝土，主梁采用了C50混凝土，采用了HRB335鋼筋作為墩柱受力鋼筋。為實現(xiàn)均勻的地震力分配，采用了可以吸收地震能量的板式橡膠支座，型號為GJZ450×500×114(CR)，數(shù)量為5個且需要全聯(lián)各墩臺上，同時需根據(jù)各墩串聯(lián)體系的水平剛度實現(xiàn)按比例進行的水平地震力分配。為避免S橋出現(xiàn)橫橋落梁問題，需設置防震擋塊于T梁兩側，并加設防震橡膠塊于防震擋塊梁板側，蓋梁兩端擋塊的高度、寬度分別為60cm與40cm，圖1為S橋的橋型布置圖[2]。

2 抗震計算

2.1 計算方法

S橋?qū)儆诘湫偷母吡叶葏^(qū)裝配式橋梁，因此抗震計算需首先明確其規(guī)則性，結合《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)，可確定S橋抗震設防類別為B類，屬于單跨跨徑在150m內(nèi)的一級公路上橋梁。對于E1地震作用下的S橋抗震設計，需保證S橋承載力滿足要求，地震動輸入方向帶來的明顯方向性橋梁破壞也需要同時得到重視，考慮到S橋?qū)儆诓捎庙槝蛳蚩刂圃O計的直線橋梁，因此本研究的抗震計算僅圍繞順橋向抗震計算展開[3]。結合表1，可確定S橋?qū)儆诘湫偷囊?guī)則橋梁，因此抗震分析的開展可采用單振型反應譜方法。

表1 橋梁規(guī)則性判斷

在應用單振型反應譜方法的S橋抗震分析中，為求出結構的基本周期及振型，首先需確定結構的計算簡圖并運用動力學分析方法，最終方可求得地震力。S橋的上、下部結構采用板式橡膠支座連接，上部結構會對橋墩振動施加約束，而結合橋梁震害調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，S橋的梁存在較大的縱、橫向位移，其支座也出現(xiàn)了一定程度的破壞，這可以證明上部結構對橋墩振動的約束效果較為有限，而結合同類研究經(jīng)驗，本文研究開展的規(guī)則橋梁抗震計算僅圍繞單墩模型展開[4]。

2.2 計算參數(shù)

作為典型的裝配式規(guī)則橋梁，S橋的下部結構自重遠小于上部結構自重，因此橋梁單振型計算模型的建立需構建典型的“倒擺體系”，即在支座頂部集中布置上部質(zhì)量。在墩頂作用一個水平集中力，其靜力撓曲線便可以通過結構力學方法求得，具體公式如下：

Xz=z2(3H-z)/6EI

(1)

式中的H、z分別為墩高、計算點到墩底的距離，結合式(1)即可依次開展質(zhì)量參數(shù)、剛度參數(shù)的計算。考慮到S橋的地基剛度較大且地基變形較小，因此本文研究忽略地基變形，結合式(1)即可確定墩身重力換算系數(shù)為0.24，一聯(lián)上部結構、下部結構的總重力則分別為25340kN與3974.4kN。

式(2)為第i號墩臺處支座的抗推剛度計算公式、式(3)為第i號墩的抗推剛度計算公式，式(2)、式(3)的計算結果分別為11842N/m、6.24×104kN/m。

(2)

(3)

結合式(2)、式(3)，可求得相應于一聯(lián)上部結構所對應的全部板式橡膠支座抗推剛度之和、橋墩抗推剛度之和，分別為7.1×104kN/m、2.5×105kN/m。

設計的靈魂是創(chuàng)新而不是重復。因此，在設計過程中，一方面要繼承優(yōu)秀的設計風格和流派，另一方面，要有創(chuàng)新精神，以顯示酒店設計的個性與設計的獨特性，而不是機械地搜集和拼湊已有的模式，這樣，繼承才能是創(chuàng)新的。

2.3 地震作用

結合式(4)所示的《公路橋梁抗震設計細則》提供的水平設計加速度反應譜，可通過計算得出E1設計加速度反應譜最大值為2.25CiCsCdA，即0.30375g，結合這一計算結果即可開展E1設計加速度反應譜函數(shù)的建立。

(4)

2.4 基本周期及反應譜值

結合E1設計加速度反應譜函數(shù)，可進行結構基本周期、反應譜值的計算，按照2個質(zhì)點體系模型進行橋墩基本周期計算，可確定結構基本圓頻率、結構基本周期分別為21.23s、1.36s；由于結構基本周期小于Tg，可確定基本周期對應的反應譜值為0.067g。

2.5 橋墩內(nèi)力

結合上述計算，可得出如下計算結果：

(1)第i號墩的組合抗推剛度=9953.14kN/m。

(2)第i號墩墩頂板式橡膠支座頂面處受到的上部結構帶來的水平地震力= 266.13kN。

(4)第i號墩墩頂板式橡膠支座頂面處總水平地震力=332.7kN。

結合上述計算結果，即可求得S橋在E1地震作用下的橋墩內(nèi)力，其中剪力V、彎矩M分別為166.4kN與1979.6kN·m[5]。

2.6 計算方法優(yōu)選

為明確單振型反應譜方法的應用效果，選擇了多振型反應譜法開展同類計算開展計算方法優(yōu)選，優(yōu)選過程的多振型反應譜法計算采用了Midas/Civil軟件，采用墩底固結作為邊界條件，同樣忽略地基變形，因此可得出橋墩內(nèi)力的剪力V、彎矩M分別為173.14kN與2138.99kN，表2為計算方法優(yōu)選比較結果。

表2 計算方法優(yōu)選比較結果

結合表2開展分析不難發(fā)現(xiàn)，兩種計算方法存在一定差異，這種差異主要源于動力學方程不同，而由于二者計算結果相差不大，考慮到單振型反應譜方法的應用較為簡單，因此認為該方法具備更好的有效性和實用性。

2.7 橋墩配筋

在E1地震作用下，S橋梁主體處于彈性工作狀態(tài)，這使得基本不會出現(xiàn)損傷，而作為典型的橋梁強度薄弱部位，橋墩潛在塑性鉸區(qū)的抗彎強度驗算需得到重點關注。S橋原設計采用了80根Φ25的HRB335鋼筋用于縱向受力，配筋率為2.0%，采用了間距100mm、8肢12的HRB335鋼筋作為箍筋，但數(shù)量較多的鋼筋和箍筋可能導致施工困難，因此設計人員可結合上述抗震設計采用高強度鋼筋作為受力縱筋，如HRB400、HRB500，由此即可更好保證S橋梁的抗震性能并方便施工順利進行。

3 結論

綜上所述，高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震計算方法具備較高實用性，在此基礎上，本文涉及的計算方法、計算參數(shù)、地震作用、基本周期及反應譜值、橋墩內(nèi)力、計算方法優(yōu)選等內(nèi)容，則提供了可行性較高的橋梁抗震計算方法，而為了進一步提高計算準確性，簡化單振型反應譜法的合理應用必須得到重視。