雙柱式矮墩系梁對(duì)橋梁抗震性能的影響

柏小勇 楊加發(fā) 朱家榮

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550023)

西南地區(qū)多位于高烈度區(qū)，具有山高谷深、地形地貌復(fù)雜等特點(diǎn)，為了降低施工難度和節(jié)約工程造價(jià)，設(shè)計(jì)中采用大量的裝配式T梁。為了適應(yīng)劇烈變化的地形條件，裝配式T梁橋的下部結(jié)構(gòu)通常采用雙柱式橋墩。對(duì)于雙柱式高墩橋梁，為提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，一般會(huì)在2根墩柱間設(shè)計(jì)墩系梁。

然而，目前關(guān)于墩系梁的設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少。燕斌等[1]對(duì)1座VIII度區(qū)墩高30 m的3×40 m T梁橋進(jìn)行抗震分析，建議墩系梁設(shè)置在墩柱中心偏下的位置，且建議采用較小抗彎剛度的系梁；陳陽清[2]針對(duì)1聯(lián)3×35 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁進(jìn)行研究，建議墩系梁剛度和橋墩剛度比在0.4～0.6范圍內(nèi)較為合理；蘭峰等[3]針對(duì)某聯(lián)5×30 m連續(xù)T梁進(jìn)行研究，建議在墩高0.3～0.8之間設(shè)置1道相對(duì)于墩身剛度0.3～0.6的橫系梁，因此，針對(duì)西南地震區(qū)雙柱式矮墩裝配式連續(xù)T梁橋的系梁設(shè)計(jì)值得進(jìn)一步探討研究。

本文選取西部山區(qū)雙柱式矮墩裝配式T梁橋，變化橋墩系梁位置及其結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)行非線性時(shí)程分析，以提高橋梁的抗震性能為目標(biāo)，對(duì)墩系梁合理設(shè)計(jì)進(jìn)行探討研究，以期為西南地震區(qū)裝配式T梁橋抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

西部地區(qū)由于地形起伏劇烈，橋梁高低墩現(xiàn)象非常普遍，但從研究規(guī)律的角度出發(fā)，本次研究對(duì)象為等墩高的雙柱式矮墩裝配式T梁橋。

本文選取的裝配式T梁橋跨徑布置為3×30 m +3×30 m+3×30 m，兩側(cè)一聯(lián)橋梁作為邊界聯(lián)。裝配式T梁橋由5片T梁組成，橋面總寬12.25 m，梁高2 m。雙柱式墩高15 m、墩徑1.8 m，樁徑2.0 m，設(shè)置1道墩系梁和1道地系梁，系梁截面尺寸高×寬為1.5 m×1.2 m，主梁的跨中、支點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)斷面和下部構(gòu)造見圖1、圖2。每聯(lián)的過渡墩采用四氟滑板支座，第一個(gè)連續(xù)墩采用1個(gè)橫橋向單向固定盆式支座和4個(gè)雙向活動(dòng)盆式支座，第二個(gè)連續(xù)墩采用1個(gè)固定盆式支座和4個(gè)橫橋向單向活動(dòng)盆式支座。

圖1 跨中、支點(diǎn)斷面

圖2 橋墩構(gòu)造圖

2 地震動(dòng)參數(shù)

依據(jù)JTG/T B02-01-2008 《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]，確定本橋梁的設(shè)防類別為B類，設(shè)防烈度為7度，水平向設(shè)計(jì)基本加速度峰值為0.15g，地處II類場(chǎng)地，場(chǎng)地系數(shù)為1.0，阻尼調(diào)整系數(shù)1.0，特征周期為0.35 s，參照文獻(xiàn)[4]選取參數(shù)擬合E1設(shè)防水準(zhǔn)的規(guī)范反應(yīng)譜，擬合并合理選取7條非線性時(shí)程波，其中2條時(shí)程波見圖3。

圖3 非線性時(shí)程波

3 模型建立

采用有限元軟件SAP2000進(jìn)行建模分析[5-7]。主梁、橋墩、蓋梁、系梁、樁均采用空間彈性梁單元模擬，樁基礎(chǔ)在3倍樁徑處嵌固模擬樁-土相互作用，支座均按規(guī)范采用三維彈簧單元進(jìn)行模擬。三維空間有限元分析模型，見圖4。

圖4 三維空間有限元模型

4 動(dòng)力特性對(duì)比

由于墩系梁僅對(duì)結(jié)構(gòu)的橫橋向抗震性能有影響，因此本文僅進(jìn)行橫橋向結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的討論。其中，墩系梁高度H指墩系梁中心與墩底的距離，本次取H為0 m(工況1，不設(shè)墩系梁)、3 m(工況2)、6 m(工況3)、7.5 m(工況4)、9 m(工況5)、12 m(工況6)共6個(gè)工況進(jìn)行對(duì)比?；诮⒌娜S空間動(dòng)力模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析。各工況下結(jié)構(gòu)的一階橫橋向?qū)ΨQ振動(dòng)和一階橫橋向反對(duì)稱振動(dòng)周期見表1。

表1 橋梁橫橋向動(dòng)力特性分析結(jié)果 s

由表1可見，設(shè)置墩系梁后，墩和墩系梁在橫橋向形成一個(gè)框架，橫橋向結(jié)構(gòu)的剛度增大，結(jié)構(gòu)橫橋向典型振型周期均有減小；隨著墩系梁設(shè)置高度的增加，結(jié)構(gòu)橫橋向典型振型周期表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律；且當(dāng)系梁設(shè)置在橋墩中心處時(shí)，結(jié)構(gòu)橫橋向典型振型周期最小，表明此時(shí)橫橋向結(jié)構(gòu)剛度最大，框架效應(yīng)最為明顯。

5 墩系梁位置設(shè)置研究

基于建立的空間動(dòng)力模型和地震動(dòng)輸入，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值取7條時(shí)程波計(jì)算結(jié)果的平均值，經(jīng)過E1非線性時(shí)程分析知：結(jié)構(gòu)整體保持彈性狀態(tài)，且連續(xù)墩的響應(yīng)較大，本次以連續(xù)墩作為研究對(duì)象，以說明結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律。

圖5、圖6、圖7展示了不同工況下墩底和墩頂?shù)膬?nèi)力響應(yīng)。

圖5 墩底、墩頂軸力

圖6 墩底、墩頂剪力

圖7 墩底、墩頂彎矩

由圖5，圖6，圖7可見，不設(shè)置墩系梁時(shí)，墩底和墩頂?shù)妮S力和剪力相對(duì)較小，彎矩值最大；隨著墩系梁設(shè)置高度的增大，墩底軸力、墩底和墩頂剪力呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，墩頂?shù)妮S力和墩底彎矩一直減小，墩頂彎矩表現(xiàn)為先減小后增大的規(guī)律；當(dāng)墩系梁設(shè)置在橋墩中心位置處時(shí)，墩底和墩頂?shù)膹澗刂荡笮∠嘟?/p>

圖8展示了不同工況下連續(xù)墩墩頂位移的響應(yīng)。

圖8 墩頂位移

由圖8可見，設(shè)置墩系梁后，橋墩橫橋向位移有所減??；隨著墩系梁設(shè)置高度的增大，橋墩橫橋向位移表現(xiàn)出先減小后增大的規(guī)律，且當(dāng)墩系梁設(shè)置在橋墩中心處時(shí)，橋墩橫橋向位移最小。這種規(guī)律的形成原因與結(jié)構(gòu)自振周期的變化機(jī)理相同。

對(duì)于系梁的內(nèi)力響應(yīng)，見圖9、圖10。

圖9 系梁剪力

圖10 系梁彎矩

由圖9、圖10可見，隨著墩系梁設(shè)置高度的增大，系梁的剪力和彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)墩系梁處于橋墩中心位置處時(shí)，系梁的剪力和彎矩值最大。出現(xiàn)這種規(guī)律的原因是：墩系梁將蓋梁-墩柱-地系梁的框架結(jié)構(gòu)一分為二，隨著墩系梁的向上移動(dòng)，系梁和下框架墩柱的剛度比逐漸增大，系梁和上框架墩柱的剛度比逐漸減小，當(dāng)墩系梁處于橋墩中心位置處時(shí)，系梁和上下2個(gè)框架墩柱的剛度比達(dá)到最大。

經(jīng)過上述分析知：當(dāng)墩系梁處于橋墩中心位置處時(shí)，系梁的地震彎矩和剪力最大，墩頂?shù)奈灰谱钚?，墩頂和墩底的地震彎矩值大小相?dāng)，比不設(shè)置墩系梁時(shí)墩頂和墩底的地震彎矩值減小很多，且此時(shí)對(duì)墩柱配筋有利。總體而言，墩系梁設(shè)置在墩柱中部時(shí)，對(duì)于橋梁整體抗震有利。

6 墩系梁結(jié)構(gòu)尺寸選擇

由于墩系梁剛度影響橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配，基于上節(jié)分析結(jié)論，將墩系梁均設(shè)置于橋墩中部位置處，研究不同墩系梁的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)橋梁抗震性能的影響?；谑┕さ姆奖阈?，墩系梁均為實(shí)心矩形截面，截面尺寸高×寬分別取為：1.2 m×1.2 m(工況1) 、1.5 m×1.0 m(工況2)、1.5 m×1.2 m(工況3)、1.5 m×1.5 m(工況4)，計(jì)算結(jié)果見圖11、圖12、圖13。

圖11 墩底、墩頂彎矩

圖12 系梁彎矩

圖13 墩頂位移

隨著工況1～4系梁截面的抗彎剛度逐漸增大，由圖11墩底、墩頂彎矩圖知，墩頂彎矩變化較小，墩底彎矩逐漸增大。由圖12系梁根部彎矩圖知，系梁根部彎矩逐漸增大。由圖13墩頂位移圖知，墩頂位移逐漸減小。出現(xiàn)上述規(guī)律的原因主要是：隨著系梁剛度的增大，橋梁整體剛度也增大，相對(duì)于墩頂位移的略微減小，系梁彎矩和墩底彎矩增加較多。

因此，實(shí)際工程中，在滿足正常使用功能時(shí)，系梁應(yīng)該選取抗彎剛度較小的結(jié)構(gòu)形式。

7 結(jié)論

1) 設(shè)置墩系梁后，橋梁橫橋向剛度增大，橫橋向自振周期和橫橋向位移均有所減??；隨著墩系梁設(shè)置高度的增加，橫橋向自振周期和橫橋向位移均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)墩系梁設(shè)置在墩柱中部時(shí)，橫橋向自振周期和橫橋向位移均最小。

2) 當(dāng)墩系梁設(shè)置在墩柱中部時(shí)，系梁的地震剪力和地震彎矩最大，且墩頂和墩底的彎矩大小幾乎相等，橋梁整體抗震性能最優(yōu)。

3) 實(shí)際工程中，在橋梁結(jié)構(gòu)滿足正常使用功能的前提下，建議選取抗彎剛度較小的系梁。