高烈度區(qū)軟土場地大跨連續(xù)梁抗震性能研究

張 旸

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510635)

0 引言

自汶川地震以來，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震安全性能備受關(guān)注。隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，綜合國力不斷提升，高速公路網(wǎng)不斷完善并擴(kuò)展，在高烈度軟土區(qū)域?qū)O(shè)計并建設(shè)越來越多的橋梁結(jié)構(gòu)。研究高烈度區(qū)軟土場地的大跨橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能并指導(dǎo)工程設(shè)計，平衡經(jīng)濟(jì)性與結(jié)構(gòu)安全性這兩大要素，是擺在科研和設(shè)計人員面前的一個重要課題。

本文以某座大跨連續(xù)梁的抗震設(shè)計為背景，闡述了處于高烈度區(qū)軟土場地的大跨橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計過程及優(yōu)化。

1 工程背景

本橋為汕頭市某跨河大橋(見圖1)，跨徑組合為86+148+86=320 m，橋?qū)?3.75 m。主梁采用按二次曲線變化的變高單箱單室梁，跨中梁高1.8 m，支點梁高3.8 m。主墩采用4 m厚的空心板墩，壁厚1 m；過渡墩采用2.5 m厚的空間板墩，壁厚0.5 m。樁基礎(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)。橋址位于8度抗震設(shè)防區(qū)，且軟基深度達(dá)20 m以上，屬于Ⅳ類場地。

2 抗震設(shè)計

2.1 抗震設(shè)計技術(shù)路線

結(jié)合本橋的重要性和結(jié)構(gòu)特點，在橋梁抗震設(shè)計過程中依據(jù)圖2所示的研究和設(shè)計流程進(jìn)行，并制定抗震設(shè)防策略。即，在橋梁的靜力設(shè)計以及明確的抗震設(shè)防水準(zhǔn)和目標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立空間有限元分析模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析和地震響應(yīng)分析，由分析結(jié)果判斷結(jié)構(gòu)的易損部位并檢驗構(gòu)件能力，通過抗震設(shè)計對策研究，達(dá)到抗震性能目標(biāo)的要求。具體抗震設(shè)計過程如圖2所示。目前常用的抗震設(shè)計思路為延性設(shè)計和減隔震設(shè)計，結(jié)合本橋的抗震設(shè)防目標(biāo)和結(jié)構(gòu)重要性，最終采用減隔震方案。

2.2 減隔震設(shè)計方案

本橋主墩和過渡墩支座采用雙曲面摩擦擺支座和拉索支座兩種隔震方案，通過增加結(jié)構(gòu)周期以減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。利用Midas建立三維有限元分析模型(見圖3)，同時考慮了主橋梁端引橋?qū)χ鳂虻膭恿μ匦缘挠绊憽?/p>

2.3 結(jié)果對比

表1，表2分別列舉了兩個減隔震方案在E2地震作用下的橋墩墩底截面內(nèi)力以及最不利單樁截面的內(nèi)力。

表1 E2地震作用下橋墩墩底內(nèi)力

墩號拉索支座方案雙曲面支座方案縱橋向墩底響應(yīng)橫橋向墩底響應(yīng)縱橋向墩底響應(yīng)橫橋向墩底響應(yīng)軸力彎矩軸力彎矩軸力彎矩軸力彎矩P1312 538.337 714.411 637.3184 960.212 529.937 216.912 240.857 069.2P1435 250605 967.633 691.9795 202.433 831.1139 601.732 347.5349 210.6P1534 240.2606 330.533 915.7795 265.131 919.3169 963.232 704.1358 111.4P1613 382.146 379.712 082194 48712 436.847 11112 725.561 131.4

表2 E2地震作用下最不利單樁截面內(nèi)力

從表1，表2可以看到，采用雙曲面摩擦擺支座對易損構(gòu)件的內(nèi)力有很好的改善。與拉索支座相比，過渡墩的墩底內(nèi)力減少了約65%；主墩內(nèi)力減少了55%。究其原因主要是雙曲面摩擦擺支座的滯回曲線飽滿，具有較好的耗能能力；而拉索支座的優(yōu)點是造價便宜，且具有可靠的防落梁措施，但滯回耗能能力差。

通過以上計算對比，可以看到采用雙曲面摩擦擺減隔震支座可以有效的減小橋墩和樁基礎(chǔ)的地震內(nèi)力，但是相應(yīng)的主梁在地震作用下的位移響應(yīng)也會比較大。因而，本文在此基礎(chǔ)上，對主墩設(shè)置粘滯阻尼器。一方面可以增加結(jié)構(gòu)阻尼，通過阻尼器耗能來改善墩樁內(nèi)力；另外一方面，也能夠通過粘滯阻尼器來減小主梁在地震作用下的位移。粘滯阻尼器的本構(gòu)關(guān)系與阻尼器的阻尼系數(shù)和阻尼指數(shù)有關(guān)，本文將對粘滯阻尼器的阻尼指數(shù)進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。

3 參數(shù)分析

本文中選取阻尼系數(shù)為7 000 kN，對阻尼指數(shù)分別為0.2,0.4,0.6,0.8,1.0五個模型進(jìn)行計算，對比過渡墩及主墩的墩底內(nèi)力和支座位移。計算結(jié)果如圖4所示。

從圖4的結(jié)果對比可知，在主墩設(shè)置粘滯阻尼器對過渡墩的內(nèi)力影響較??；設(shè)置粘滯阻尼器以后，縱橋向地震作用下主墩的內(nèi)力稍有增加，而橫橋向的地震內(nèi)力有所改善；隨著阻尼指數(shù)的增加，主墩的內(nèi)力遞減而支座位移遞增；對于深軟基場地的大跨橋梁，粘滯阻尼器能夠有效的減小支座位移，限制梁體運動。

通常情況下在速度小于1.0 m/s時，速度指數(shù)越小則最大阻尼力越大，滯回環(huán)面積越大，耗能能力越強(qiáng)，對位移的改善情況也就越好。速度指數(shù)的變化對位移的影響幅度較大而對主墩內(nèi)力的影響幅度較小。因而對于深軟基場地的大跨橋梁，在滿足易損構(gòu)件抗震需求的前提下，盡量選取速度指數(shù)較小的粘滯阻尼器，以減小地震位移。

4 結(jié)語

通過以上分析可以得到以下主要結(jié)論：

1)對于軟土場地的大跨橋梁，橋墩和樁基礎(chǔ)是主要的易損構(gòu)件。尤其對于樁基礎(chǔ)，由于軟土的側(cè)向剛度小造成樁身的剪力衰減較慢，樁的最大彎矩截面往往靠下且內(nèi)力較大，控制設(shè)計。

2)通過減隔震措施可以有效的減小易損構(gòu)件的內(nèi)力，其中雙曲面摩擦擺支座的減震效果最好，但支座位移較大。

3)粘滯阻尼器可以大幅度的降低支座位移，且易損構(gòu)件的內(nèi)力增加較小。對于大跨連續(xù)梁而言，速度指數(shù)越小則對位移的改善效果越好，易損構(gòu)件的內(nèi)力增幅對速度指數(shù)的敏感性較小。

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