雙圓柱墩橋梁抗震設計方法研究

摘要 橋梁工程是我國公路基礎設施的重要構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)安全決定了公路交通運行的穩(wěn)定性。橋梁多建設于復雜地震帶中，地震災害對橋梁結(jié)構(gòu)造成了極大威脅。開展橋梁結(jié)構(gòu)地震動作用下的力學特性分析對于橋梁設計及后續(xù)養(yǎng)護維修具有重要指導意義。文章依托貴州省某二跨雙圓柱墩曲線箱梁高架橋進行Midas Civil 有限元軟件的抗震分析，并且對不同橋墩高度下的地震動力學響應進行評價。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)剛度隨橋墩高度增大而不斷增大；地震動下橋墩結(jié)構(gòu)位移隨高度增大而增大，內(nèi)力隨高度增大而減小；抗震設計中需要針對不利地震激勵方向盡量選取高度較低的橋墩，加強橋墩內(nèi)部配筋設計。

關(guān)鍵詞 地震動；有限元；抗震設計；橋墩高度

中圖分類號 U442.55 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0071-03

0 引言

橋梁工程具備銜接公路交通、跨越復雜地形的功能，考慮到橋梁工程建設造價相對較高且結(jié)構(gòu)面臨的安全風險因素較多，如何科學合理地開展橋梁抗震設計已經(jīng)引發(fā)人們重點關(guān)注。橋墩作為橋梁重要支撐結(jié)構(gòu)，城市高架橋建設多采取雙圓柱墩設計，其在地震作用下的力學表現(xiàn)較為復雜，因此，橋梁雙圓柱墩結(jié)構(gòu)地震作用下的力學響應評價對于城市交通綜合系統(tǒng)穩(wěn)定運行具有重要意義。橋梁抗震設計需要充分分析結(jié)構(gòu)形式及實際環(huán)境特點，優(yōu)化設計方案，以確保結(jié)構(gòu)使用耐久性。

1 橋梁震害類別

1.1 橋墩震害

橋墩作為橋梁主要結(jié)構(gòu)，其地震作用下產(chǎn)生的破壞主要有彎曲破壞、剪切破壞和剪彎破壞。橋墩剪切破壞主要是地震力導致橋墩內(nèi)部剪應力超過其抗拉強度而導致的，如圖1所示。彎曲破壞則主要是橋墩在地震力作用下產(chǎn)生較大的彎曲變形，引發(fā)橋墩混凝土壓碎、內(nèi)部鋼筋斷裂及墩身開裂。橋墩彎曲破壞會造成其承載強度大幅喪失，危害程度極大。橋墩彎剪破壞則是橋墩塑性鉸導致局部強度喪失而引發(fā)的破壞類型[1]。

1.2 主梁、連接件震害

橋梁上部結(jié)構(gòu)的破壞類型多由地震間接作用而導致的，多為上部結(jié)構(gòu)移位關(guān)聯(lián)病害。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式不同則會導致其內(nèi)部受力特點具備較大差異性，危害程度最大的震害則為落梁。依據(jù)脫落形式的不同，落梁破壞則可分為扭轉(zhuǎn)滑移、順橫橋向落梁幾種類型；橋梁支承件地震破壞則較為常見，如伸縮縫、支座等作為上部結(jié)構(gòu)中較為薄弱的構(gòu)造，在初始設計階段并沒有引起技術(shù)人員重點關(guān)注，導致其構(gòu)造銜接存在缺陷、材料強度不足、施工質(zhì)量不合格，在地震作用下，連接件受力特點出現(xiàn)變化，引發(fā)破損加劇情況。既有統(tǒng)計資料表明，地震導致的支座破壞極為常見，支座支承作用喪失即會引發(fā)整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，最終導致主梁移位加劇[2]。

2 工程概況

貴州省某互通立交A匝道橋梁為二跨預應力混凝土曲線箱梁構(gòu)造，橋梁設計全長90 m（40 m+50 m），路線設計圓心角145°，圓曲線半徑70 m，雙向二車道設計，設計車速60 km/h，橋面設計寬度9 m。上部結(jié)構(gòu)主梁采取現(xiàn)澆鋼筋混凝土單箱雙室箱梁構(gòu)造，混凝土C50；支座選取板式橡膠支座（型號GYZ800×150），第一、第二形狀系數(shù)分別為10.9、7.1，支座橫向剛度2×104 kN/m，豎向剛度1.2×107 kN/m；下部結(jié)構(gòu)則采取雙圓柱墩，墩截面直徑1.5 m，墩帽和墩身采取混凝土C40；鉆孔灌注樁基礎進行地基加固，采取混凝土C35。橋梁支座平面布置如圖2所示，橋梁斷面布置如圖3所示。其中，1～3號橋墩高度分別為20 m、25 m、25 m，橋墩內(nèi)部間隔10 m布置單道橫系梁。橋梁設計基準期100年，公路一級荷載設計，地震動峰值加速度0.10 g，7度抗震設防烈度[3]。現(xiàn)場對橋墩孔位勘察可知地層巖性如下：首層為雜填土層，厚度3～5 m，稍濕稍密，灰褐色；第二層為中風化泥巖層，厚度20～25 m，密度較大，強度偏高。考慮到該橋位建設于易發(fā)地震帶，設計單位擬對橋墩結(jié)構(gòu)開展地震力學響應分析。

3 有限元抗震分析

3.1 模型構(gòu)建

項目采取Midas Civil有限元軟件進行模型構(gòu)建，橋梁上部結(jié)構(gòu)均采取梁單元進行模擬，為優(yōu)化計算過程，局部坐標需要對支座和橋墩單元進行調(diào)整。支座約束需要和主梁徑向保持一致，采取線性彈簧單元模擬板式橡膠支座；橋墩、承臺、墩帽等下部結(jié)構(gòu)也采取梁單元模擬；彈性階段橋墩力學分析則可采取空間梁單元進行簡便計算，塑性力學分析階段則需要采取空間彈塑性梁單元分析橋墩反應；混凝土材料、鋼材分別采取Mander、Menegotto-Pinto模型進行分析。項目構(gòu)建橋梁有限元模型具體如圖4所示[4]。

3.2 動力特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是地震動分析的主要內(nèi)容，有助于獲取橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)、振型變化及自振頻率。通過計算模擬可知，項目選取振階均滿足技術(shù)要求，橋梁結(jié)構(gòu)前10階周期、自振頻率、振型相關(guān)參數(shù)具體如表1所示。橋梁三向不同階數(shù)下的質(zhì)量參與系數(shù)如圖5所示。結(jié)果表明，橋梁三向質(zhì)量參與系數(shù)均最后穩(wěn)定于90%以上；橋梁5階振型多表現(xiàn)為主梁縱橫向彎曲，結(jié)構(gòu)豎向剛度要明顯小于順橫向剛度，橋梁地震動力學響應多表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)水平向變形；5階后振型則主要表現(xiàn)為豎彎變形，地震動豎向反應較為明顯，水平向反應較小。考慮到橋梁結(jié)構(gòu)豎向剛度遠大于橫向剛度，實際抗震分析中仍舊主要分析結(jié)構(gòu)水平地震動響應；低階結(jié)構(gòu)水平向質(zhì)量參與系數(shù)增長幅度較大，高階則豎向質(zhì)量參與系數(shù)較大，橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞多出現(xiàn)在橫彎振型模態(tài)中，抗震加固中需要重點優(yōu)化橋梁橫向變形[5]。

3.3 橋墩高度影響

針對不同橋墩高度下橋梁動力特性的研究是優(yōu)化橋梁抗震設計方案的重要內(nèi)容，項目構(gòu)建橋墩高度20 m、25 m、30 m的有限元模型，并且對模型10階振型模態(tài)、周期、質(zhì)量參與系數(shù)進行原模型比對分析，具體如圖6和表2所示。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)自振周期隨著橋墩高度的增大而不斷增大，墩高分別為20 m、25 m、30 m時，結(jié)構(gòu)自振周期分別增加30%、28%、95%，橋墩高度增大會導致模態(tài)累積質(zhì)量參與系數(shù)不斷減小，且階數(shù)變化導致的豎向振型影響明顯大于水平振型；不同墩高布置下，4階振型主要表現(xiàn)為豎彎，明顯區(qū)別于原模型的橫彎，隨著橋墩高度增大，差異性更為顯著[6]。

4 地震波對不同橋墩高度地震響應分析

該項目為Ⅰ級公路高架橋，自振周期2.11 s，依據(jù)既有地質(zhì)資料及相關(guān)抗震設計規(guī)范可知該橋梁分區(qū)特征周期0.40 g，B類橋梁，Ⅱ類場地類型，E1、E2地震峰值加速度分別為0.10 g、0.42 g，7度設防烈度，按1類抗震設計方法選用。項目選取不同橋墩高度20 m、25 m、30 m相應橋梁模型，利用反應譜法進行不利地震力下的橋墩結(jié)構(gòu)力學響應分析，對橋墩下部樁土作用不進行考慮，對底部邊界位移完全限制。經(jīng)數(shù)值計算可知，2號墩考慮墩高變化下地震動不利激勵方向、橋墩最大變形及最大內(nèi)力統(tǒng)計如表3所示。研究結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)地震響應在不同橋墩高度下具有較大差異性，橋墩最大位移隨著橋墩高度的增大而不斷增大，橋墩彎矩則隨著橋墩高度的增大而不斷減小。2號墩在墩高20 m、25 m、30 m時，水平向最大位移分別為0.15 mm、0.27 mm、0.45 mm，最大彎矩變化幅度平均達到了5%左右；扭矩變化幅度則不太均勻，墩高20～25 m扭矩變化明顯要大于25～30 m，在墩高20 m時具備最大內(nèi)力。不利地震激勵方向隨橋墩高度變化的影響程度較小，對于抗震設計則可以忽略不同地震激勵方向的影響。為此，在確保結(jié)構(gòu)安全的基礎上，抗震設計中需要盡量采取高度較小的橋墩，以避免結(jié)構(gòu)較大位移的產(chǎn)生，同時也要加強橋墩結(jié)構(gòu)內(nèi)部配筋設計，提升結(jié)構(gòu)自身強度[7]。

5 結(jié)語

隨著我國市政交通基礎設施的不斷發(fā)展，市政公路高架橋構(gòu)建數(shù)量不斷增多。在地震易發(fā)帶的橋梁建設中，橋梁抗震分析作為設計階段的主要內(nèi)容，是確保橋梁使用耐久性的重要措施。橋梁抗震設計需要依據(jù)實際建設環(huán)境及結(jié)構(gòu)構(gòu)造進行針對性分析。橋墩作為地震易損件，該文依托具體工程案例重點分析了橋墩地震動下的力學響應，獲取以下結(jié)果：地震動下橋墩結(jié)構(gòu)位移隨高度增大而增大，內(nèi)力隨高度增大而減小；地震動激勵方向?qū)蚨战Y(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化沒有較大影響；采取強度較大、高度較小的橋墩能夠提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

參考文獻

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