山區PC箱梁橋墩柱抗震性能加固研究

趙汗軍

(山西交科公路勘察設計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

由于山區復雜地形條件限制,山區橋梁墩高和墩高差較一般橋梁需求更高。根據相關調研結果,墩高40m以上的橋梁占比超過40%[1]。然而,我國許多山區橋梁處于地震活躍帶,地震烈度高,地震動作用影響使得高墩橋梁位移響應需求更大,結構間的碰撞效應、落梁風險也相應增加。2008年,汶川發生8.0級大地震,山區橋梁大面積損傷破壞不僅延緩抗震救援進度,更嚴重威脅人民生命財產安全[2-3]。因此,文章依托某山區橋梁,分析同聯內不同墩高差與不同墩柱配筋率對結構抗震性能的影響,以期為類似工程提供參考。

1 高墩橋梁抗震設計

山區高墩橋梁的抗震設計,主要包括橋型整體設計、橋梁位置選擇、橋墩構造選型和設計等環節。《公路橋梁抗震設計規范》(JTG/T 2231-01―2020)[4](以下簡稱“《規范》”)規定,橋梁抗震體系應有穩定可靠的傳力路徑、合理的能量耗散部位以及明確可靠的位移約束,除此之外,還應該有效避免因個別構件的破壞而導致整體結構倒塌。鑒于山區高墩梁橋橋墩高、位移響應大、碰撞效應明顯等地震動反應特點,山區梁橋結構抗震性能提升設計除應注意橋梁選址、上下部結構形式及其連接方式、耗能部位選擇等總體設計外,還應注意控制墩頂位移量和下部橋墩之間的剛度平衡,防止矮墩剪切力過大發生脆性破壞以及主梁與墩柱之間位移差過大而破壞落梁等情況發生。根據相關研究[5-7]及《規范》第3.3.3條,以抗震合理概念設計原則出發,編制如圖1所示研究技術路線圖,在此以墩柱參數為例展開研究。

圖1 研究技術路線圖

2 計算模型基礎條件

研究依托的工程案例為西部山區某梁橋。采用Midas模擬軟件,分析方法為反應譜法和彈塑性時程分析法。

2.1 工程概況

依托工程是荷載等級為一級的公路橋,主梁為連續箱梁,支座為普通盆式橡膠支座,橋墩為雙柱式方形橋墩,基礎為樁基礎,主梁內預應力鋼束為1860型鋼絞線。工程Midas模型圖如圖2所示,其中方形墩尺寸為2.2m×2.2m,墩高隨地形變化較大,系梁隨墩高每隔10m一布置。支座布置示意圖見圖3。

圖2 依托工程Midas模型圖

圖3 支座布置示意圖

2.2 計算方法與設計反應譜

文章分別采用反應譜法、Pushover推倒分析和彈塑性時程分析法,分析依托工程在不同墩高差和不同墩柱配筋率下結構的抗震性能[8-9]。根據《規范》第6.1.3條和6.1.4條規定,該橋屬于規則橋梁,E2地震作用下可以采用SM法或MM法分析計算。為了更加準確地預測和研究結構的地震行為,文章還采用了非線性時程分析法。根據設計資料參數,計算模型的E2反應譜如圖4所示。

圖4 設計反應譜值

2.3 模擬方法

根據結構設計參數以及《規范》第6.2條對結構建模原則的建議和抗震概念設計要求,墩柱和梁體均采用空間桿系單元建模,墩柱約束考慮為固結,支座采用滯后系統模擬。墩柱縱向鋼筋布置及纖維分割如圖5所示。

圖5 墩柱縱向鋼筋布置及纖維分割圖

2.4 工況設定

墩柱配筋率按照《規范》第8.2.4條建議設定,墩高差根據地形趨勢設定,墩柱配筋率和墩高差工況設定見表1。

表1 工況類型及設定

3 不同墩高差結果分析

結構在水平雙向E2反應譜下的剪力結構反應見圖6,圖中橋墩從左至右依次編號為1#～4#。反應譜荷載工況荷載組合取為:一期恒載+二期恒載+預應力+反應譜荷載(SRSS)。

圖6 工況三墩柱剪力分布圖

圖6展示了邊中墩墩高差為30m時各墩柱之間的剪力分布。具體結果見表2。

表2 各工況剪力分配表 單位：kN

由圖6和表2可知,隨著邊中墩墩高差增加,相比于高墩,矮墩的高剪力分配值更加明顯。根據表1,墩高差從10m提升至30m時,4#矮墩縱向剪力值從1745kN提升至3177kN,提升幅度達82.1%。

E2反應譜下墩柱的位移響應情況如圖7和表3所示。

表3 各工況墩柱位移分布情況表 單位：mm

圖7 工況三墩柱縱向位移分布圖

由圖7和表3可知,隨著邊中墩墩高差增加,地震作用下位移在聯內各墩分布的不均勻性也會增加。計算顯示,墩高差為10m時,邊中墩位移差值為46mm;墩高差為30m時,邊中墩位移差值則增加到121mm。

綜上可知,同一聯內墩高差不易過大,否則將極大增加結構縱、橫向剛度分布的不均勻性,矮墩承受過大水平荷載,高墩產生較大位移變形,影響結構的整體抗震性能。如受山區地勢差距過大等條件因素限制,宜采用橡膠支座等合理的支座類型調節各墩之間的剛度差距。

4 不同墩柱配筋率結果分析

基于反應譜下的不同墩高差分析,考慮地形條件限制,采用不同墩高差工況進行不同配筋率影響計算分析。

4.1 地震波選取

根據所在場地類型,選取地震波特征周期Tg為0.456s,持續時間為37.82s的EL Centro(310 Deg)地震波,并按1:0.85雙水平向輸入,經峰值調整后的縱向加速度波形如圖8所示。

圖8 EL Centro(310 Deg)地震波

4.2 Pushover單墩推倒分析

恒載作用獲得2#墩單側支座反力為3524kN后,利用Midas軟件的Pushover模塊建立如圖9所示推倒模型。

圖9 Pushover單墩推倒模型

分析結果顯示,從工況一至工況四,即縱筋配筋率從0.009達到0.0156時,2#墩的屈服彎矩由24690kN·m增加至36662kN·m,同時極限曲率也相應增加。但在單側根數減少至12根及以下時,會出現類似梁的“少筋”現象。可見適當增加墩柱的縱向鋼筋配筋率可以提升結構抗彎承載力和極限曲率。文章選擇在單側縱筋數量20根,配筋率為1.29%的情況下進行時程分析。經過三次迭代,Pushover結果顯示,工況二配筋率下的橫向極限曲率為0.109rad/m,墩頂的容許位移為0.356m,橫向屈服彎矩穩定在70607kN·m左右。

4.3 時程分析

實測地震波作用下,各墩墩底彎矩響應值詳見表4。

表4 工況二下各墩墩底彎矩響應值 單位：kN·m

由表4可知,2#墩因一側支座固結,在地震波作用下表現出較大的彎矩響應值,但各墩墩高差距不大,因此墩柱剛度差距不大,最大彎矩差值未超過1100kN·m,符合抗震設計要求。

文章選取2#一側支座固定墩作為控制截面進行闡述分析。

4.3.12#橋墩墩頂位移響應結果

2#墩墩頂位移時程圖如圖10。

圖10 2#墩墩頂位移時程圖

由圖10可知,不考慮橋臺或相鄰聯之間的縱向約束作用時,直線梁橋墩頂的縱向位移比橫向位移響應更大,達到了68mm。由此得出,高烈度地區橋梁遭遇地震時,直橋梁端易發生碰撞效應,同時可能存在落梁風險,應提前采取減隔震措施。橫向最大位移響應僅為25mm,未超過墩頂容許位移0.356m。總體而言,墩柱配筋率在1.29%時,結構位移響應控制良好。

4.3.22#橋墩墩頂及墩底彎矩響應結果

2#墩墩底彎矩-曲率響應值見圖11。

圖11 2#墩墩底彎矩-曲率響應值

圖11中,2#墩縱向彎曲曲率響應與橫向數值接近,縱向略高,最大值達到了0.00014rad/m,但小于單墩推倒分析得到的橫向極限曲率值,其值為0.109rad/m。2#墩橫向彎矩響應為6591kN·m,未達到單墩推倒分析時的首次屈服彎矩68328kN·m,更未達到屈服彎矩70607kN·m。可見墩柱配筋率在1.29%時,墩柱損傷輕微,抗震效果良好。

4.3.32#橋墩墩頂、墩底纖維截面分析結果

墩頂(左)、墩底(右)纖維截面分析結果見圖12。

圖12 墩頂(左)、墩底(右)纖維截面分析結果

圖12中,淺色區域代表開裂,深色區域代表彈性。可見在設計地震荷載作用下,2#橋墩墩底截面將大面積開裂,塑性狀態表現明顯,但均未達到鋼筋屈服強度。

綜合圖10～圖12計算結果,邊中墩墩高差為10m,配筋率為1.29%時,符合《規范》規定配筋率介于0.006～0.04的要求,結構橋墩地震動響應均不會超越位移、曲率限值,結構抗震性能良好。根據其他工況配筋率下的時程分析結果可以發現,該工程配筋率介于0.01～0.02,結構的抗震性能表現良好。

5 結論

(1)進行抗震設計時,聯與聯之間的剛度比不宜過大,同一聯內橋墩墩高差也不宜設置過大,否則將導致墩柱間剛度不均勻,進而影響結構抗震性能。研究結果顯示,矮墩剪力響應大,高墩位移響應大。若受現實條件約束,應選擇合理支座類型以調節各墩間的剛度差距。

(2)墩柱配筋率直接影響材料的本構關系。適當提高配筋率可以提升墩柱的抗彎承載力和極限曲率等抗震性能。研究依托工程取配筋率為1.29%時,橋梁結構表現出良好的抗震性能,同時符合《規范》規定的配筋率介于0.006～0.04的要求。

(3)墩柱彈塑性纖維時程分析結果表明,固定墩的墩頂、墩底和系梁與墩柱節點處易進入彈塑性狀態,因此,為滿足結構地震動強度和延性需求,建議對塑性鉸區進行箍筋加密處理。