中小跨徑連續(xù)梁橋抗震結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

楊 濤

(云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，云南昆明 650011)

我國許多地方特別是云南地區(qū)，是地震多發(fā)區(qū)之一。隨著高等級公路的不斷延伸，許多線路不可避免地經(jīng)過這些地形復(fù)雜的高烈度地震區(qū)，從而將有大量的橋梁建造在地震區(qū)。中、小跨徑連續(xù)梁橋施工方便、造價低的優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用，雙柱式、T形橋墩是中、小跨徑梁橋廣泛采用的下部結(jié)構(gòu)形式。云南部分地區(qū)處于8度地震高烈度區(qū)，對中小跨徑橋梁的抗震設(shè)計有著更高的要求。

本文以云南山區(qū)線路中常用的雙柱式、T形墩橋梁為研究對象，采用動力彈塑性時程分析，分別詳細討論了墩底邊界模擬方法、單聯(lián)與多聯(lián)模型等參數(shù)對地震響應(yīng)結(jié)果的影響程度與規(guī)律，所得結(jié)論可供工程設(shè)計人員參考。

1 工程概況

云南某高速公路常用中小跨徑連續(xù)梁橋，設(shè)計荷載等級為公路—Ⅰ級，分幅式路基寬度有12 m和16.5 m2種，下部結(jié)構(gòu)形式分別為T形墩與雙柱式墩?？鐝?0 m連續(xù)梁下部橋墩按墩高及橋面寬度進行劃分、組合，共計8種類型。

分幅式路基(寬12 m)下部采用T形墩，墩高在20～40 m，墩身采用變截面實心矩形墩;墩高在40 m以上時墩身采用變截面空心薄壁箱形墩。分幅式路基(寬16.5 m)下部采用雙柱式墩，墩高在15～30 m時，墩身采用等截面實心矩形墩;墩高在30～45 m之間時，墩身采用變截面實心矩形墩;墩高在40～60 m之間時，墩身采用變截面空心薄壁箱形墩。變截面橋墩縱橋向沿高度均設(shè)有80∶1的坡度，雙柱式墩兩墩柱間豎向每隔18 m設(shè)一道系梁。

2 雙柱墩與T墩空間動力計算模型

計算采用有限元分析軟件 Midas/Civil進行。為了全面分析上述8種類型橋跨結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)特性，對每一類型橋墩均以5 m或10 m為級差對不同墩高情況進行分析。同時對幾種有代表性的橋墩類型，采用3種不同的墩底邊界條件以考慮樁土作用計算模式對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。對8個類型橋墩進行縱橫向地震反應(yīng)分析時，建立全部計算模型共計24個。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)的模擬

上部結(jié)構(gòu)T梁采用空間梁格單元按照多主梁建模。橋梁上部結(jié)構(gòu)二期恒載，按荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量方法考慮。對于相鄰跨結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響，采用集中在蓋梁節(jié)點上的質(zhì)量單元。

在地震作用下支座的水平剛度對橋梁主體結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)影響較大。對一聯(lián)橋梁中間橋墩墩頂設(shè)置的普通板式橡膠支座，采用彈性連接來模擬其縱、橫向剛度。

2.2 墩底邊界條件模擬

分別采用墩底直接嵌固法、等效剛度嵌固法和m法來考慮樁土作用的影響，并進行必要的比較研究。直接嵌固法是指在計算橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)時，不考慮樁基礎(chǔ)的影響，直接在墩底固結(jié)。而等效剛度嵌固法是單獨計算墩底以下樁基與承臺共同作用的剛度，墩底采用計算出的等效剛度。m法是指將橋梁結(jié)構(gòu)與樁基礎(chǔ)共同考慮，將樁周土體對基樁的作用，模擬為沿深度變化的一系列彈簧。在全樁模型中，地基比例系數(shù)m值取20 000 kN/m4。依據(jù)上述方法和原則對各類型橋墩結(jié)構(gòu)建立其空間有限元動力計算模型。

2.3 地震動參數(shù)的選取

計算輸入時程地震波曲線的確定按擬建場地抗震設(shè)防烈度為8度考慮，場地類別為Ⅱ類場地土，水平向設(shè)計基本地震動加速度峰值為0.3g，根據(jù)該地區(qū)提供地震安評報告，確定時程曲線見圖1。

圖1 動力時程曲線

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

3.1 墩高變化及樁土作用對地震響應(yīng)的影響分析

對每種類型的橋墩在其適用范圍內(nèi)以一定的級差計算了不同墩高情況下的地震內(nèi)力及位移，對雙柱墩與T形墩代表性的橋墩進行了不同的樁土效應(yīng)模式(墩底固結(jié)、等效剛度固結(jié)及全樁模型)對比分析。在此3種計算模式分別稱為模式A、模式B和模式C?？v向、橫向地震時程曲線下墩底彎矩在不同計算模式下隨墩高的變化情況如圖2所示。

對計算結(jié)果進行整理分析，得出以下一些結(jié)論:

圖2 雙柱墩墩底縱、橫向地震產(chǎn)生彎矩值

1)3種類型橋墩模式B的縱向地震力在墩高不大于60 m時均小于模式C的計算結(jié)果，且相對誤差隨著墩高的增加而減小，墩高＞30 m時相對誤差均＜5.5%。模式B橫向地震反應(yīng)墩底及墩頂?shù)臋M向地震力基本上與模式C的值相當(dāng)。模式B的墩頂縱向位移值均大于模式C的值，墩高＞30 m時其相對誤差均＜5%。模式B的縱向振動基本周期值均大于模式C，且相對誤差隨著墩高的增加而減小，墩高＞30 m時其相對誤差均＜5%。模式B墩頂橫向位移值及橫向振動基本周期值與模式C的相應(yīng)值基本相當(dāng)。

2)對于每一類型橋墩，在縱向地震作用下墩底受力的基本規(guī)律是隨著墩高的增大墩底彎矩值不斷增大，而墩底剪力值在減小。在橫向地震作用下隨著墩高的增加其墩底彎矩并非單調(diào)增加，而是受橫系梁設(shè)置的影響，隨著墩底段的增大而增加;墩頂彎矩和剪力值隨著墩高的增加在不斷減小?？梢?，對于考慮樁土效應(yīng)的3種簡化方法，計算模式A(直接嵌固模型)計算的結(jié)構(gòu)整體剛度偏大，結(jié)構(gòu)基本周期偏小，在地震作用下計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏大，造成設(shè)計過于保守。計算模式C(m法全樁模型)能較為詳細地考慮樁基礎(chǔ)與橋梁結(jié)構(gòu)的共同作用，同時也能反映土體影響，是比較合理的一種方法，但是該簡化模型的建模工作量大。對于本文研究對象，計算模式B(樁底簡化固結(jié)模型)可以得出與全樁模型基本相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，且建模工作量要小，可適用于常規(guī)設(shè)計。

3.2 單聯(lián)與多聯(lián)模型計算影響分析

在建立橋梁空間動力計算模型時應(yīng)盡量建立全橋計算模型，但對于很長的橋梁，可以選取具有典型結(jié)構(gòu)或特殊地段或有特殊構(gòu)造的多聯(lián)梁橋(一般不少于3聯(lián))進行地震反應(yīng)分析。這時應(yīng)考慮鄰聯(lián)結(jié)構(gòu)和邊界條件的影響。為簡化分析，通常只建立1聯(lián)橋跨結(jié)構(gòu)，并將邊界處相鄰梁跨上部結(jié)構(gòu)一半的恒載質(zhì)量集中在邊墩蓋梁相應(yīng)節(jié)點上來考慮其對本聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響。對于由此簡化而帶來的誤差(相對于3聯(lián)結(jié)構(gòu)模型)將在此進行討論。分別選取雙柱墩和T形墩為代表進行對比分析，墩底邊界條件為計算模式A。

雙柱墩和T形墩地震縱、橫向輸入時單聯(lián)模型與3聯(lián)模型墩底內(nèi)力計算結(jié)果對比情況見表1。分析結(jié)果表明，T形墩地震動縱、橫向輸入下一聯(lián)內(nèi)中間橋墩墩底內(nèi)力及橋跨縱向基本周期值，單聯(lián)模型與3聯(lián)模型相比基本相同。雙柱式墩地震動縱向輸入下一聯(lián)內(nèi)中間橋墩墩底內(nèi)力及橋跨縱向基本周期值，單聯(lián)模型與3聯(lián)模型相比基本相同。所以建立單聯(lián)模型進行T形墩橋跨結(jié)構(gòu)的縱、橫向地震反應(yīng)是完全可行的。雙柱墩縱向地震力分析也可采用單聯(lián)模型。

表1 單聯(lián)與3聯(lián)模型墩底內(nèi)力比較

雙柱式橋墩橫向地震輸入計算結(jié)果，單聯(lián)模型墩底力及橫向振動固有周期值均較3聯(lián)模型小。對于雙柱式橋墩，單聯(lián)模型內(nèi)力值相對于3聯(lián)模型內(nèi)力值的誤差在6.3%～13.0%之間。單聯(lián)模型的控制內(nèi)力對于3聯(lián)模型的相對誤差均隨墩高的增加而減小。分析其原因在于對3聯(lián)模型交界墩頂四滑板支座處主梁與橋墩的橫向自由度進行了主從約束，考慮相鄰跨結(jié)構(gòu)時，相鄰聯(lián)跨結(jié)構(gòu)將參與單聯(lián)結(jié)構(gòu)的橫向振動。即鄰聯(lián)結(jié)構(gòu)與單聯(lián)模型發(fā)生橫向耦聯(lián)振動，從而在相同的地震動水平作用下3聯(lián)模型地震力和墩頂位移將會有所增大。所以，對于長聯(lián)結(jié)構(gòu)進行橫向地震動分析時，應(yīng)考慮相鄰聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，否則計算結(jié)果將有可能偏于不安全。

4 結(jié)論

1)對于考慮樁土效應(yīng)的3種簡化模擬方法，墩底直接嵌固模型在地震作用下計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力偏大，且該簡化模型對結(jié)構(gòu)位移的估計不足;樁底簡化固結(jié)模型可以得出與全樁模型基本相當(dāng)?shù)慕Y(jié)果，且建模工作量要小，可適用于常規(guī)設(shè)計。

2)T形墩建立單聯(lián)模型進行橋跨結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)是完全可行的。對于雙柱式橋墩長聯(lián)結(jié)構(gòu)進行橫向地震動分析時應(yīng)考慮相鄰聯(lián)結(jié)構(gòu)的影響，否則計算結(jié)果將有可能偏于不安全。

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