陡橫坡地形下樁頂系梁對(duì)多柱式墩橋梁抗震性能的影響分析

薛揮杰 楊明福 寧曉駿* 費(fèi)建文 李揚(yáng) 陳光楊

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650000;2.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司云南分公司 昆明 650000)

0 引言

隨著近年來我國(guó)西南地區(qū)交通的發(fā)展，西南地區(qū)橋梁愈來愈多，但西南地區(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)，從施工工藝及經(jīng)濟(jì)性角度考慮，大量橋梁用裝配式T梁，同時(shí)為適應(yīng)較陡橫坡地形條件，裝配式T梁橋的下部結(jié)構(gòu)通常采用雙柱式或排架墩。在橋?qū)掃^大的情況下，多柱墩施工工藝成熟、能充分適應(yīng)地形且對(duì)蓋梁的要求低，因此被廣泛應(yīng)用在山區(qū)橋梁中。山區(qū)高陡橫坡地段橋梁的設(shè)計(jì)往往使得多柱墩墩高差異較大，由此，樁頂系梁(又稱地系梁)布置的問題日益凸顯。若墩高差距過大，例如按照最低的樁布置布設(shè)樁頂系梁，會(huì)使得挖方大大增加，施工對(duì)邊坡的擾動(dòng)也會(huì)更劇烈，按照最高的樁布置設(shè)地系梁，會(huì)使橋梁整體剛度下降[1]。出于經(jīng)濟(jì)性和施工安全性的考慮，解決陡橫坡地形下樁頂系梁布置問題迫在眉睫。

本文以貴州省某裝配式預(yù)應(yīng)力T梁橋?yàn)閷?shí)例，橋跨為2×40 m，橋墩采用三柱墩(本文以三柱墩為例，多柱式墩不再一一分析)，橋面總寬20 m，橋墩采用樁柱一體式，墩徑1 m，樁徑1.2 m，1號(hào)墩32.53 m，2號(hào)墩28.03 m，三號(hào)墩23.53 m，橋梁類型為B類橋，場(chǎng)地類型為Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)防烈度7度，采用Midas/Civil有限元軟件對(duì)同墩高同地質(zhì)條件下的全橋進(jìn)行分析，依據(jù)可能的地系梁布置6個(gè)工況，進(jìn)行抗震分析，討論地震下樁頂系梁設(shè)置對(duì)三柱墩抗震性能的影響，以期能對(duì)類似工程提供一定的參考依據(jù)。

1 模型建立

通過Midas/Civil有限元軟件建立全橋模型如圖1。

其中考慮到橋梁結(jié)構(gòu)整體抵抗橫向和縱向地震作用的影響，模態(tài)組合使用 CQC 法，上部結(jié)構(gòu)考慮二期恒載、預(yù)應(yīng)力、自重，不考慮荷載的作用，墩梁采用固定支座模擬，聯(lián)端采用滑動(dòng)支座模擬，同時(shí)利用土彈簧模擬軟件模擬樁-土作用，樁底采用固定約束[2]，全橋模型如圖1，橋墩由高到低依次編號(hào)1、2、3。

圖1 全橋模型(工況1)

在工況的選擇上，本文主要研究樁頂系梁的連接方式對(duì)抗震的影響，故除兩樁頂系梁同一高度的特殊工況外，不再針對(duì)系梁在同一種連接方式下的不同高度進(jìn)行分析(實(shí)際上，在同種連接方式下樁頂系梁高度可變化的區(qū)間并不大)。同時(shí)考慮樁頂系梁的作用之一是減少樁的不均勻沉降，而交錯(cuò)布置系梁會(huì)使兩側(cè)樁基在產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，中間樁產(chǎn)生較大的內(nèi)力，且不利于內(nèi)力的傳遞與各樁的協(xié)同工作，故本文在交錯(cuò)樁頂系梁布置的模型中，采用兩樁頂系梁豎向間距的最小原則布置。本文設(shè)置6個(gè)工況，樁頂系梁布置見圖2。

圖2 各工況系梁布置示意

2 抗震分析

由于本橋?yàn)橐?guī)則橋梁，依照公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T B02-01—2008)的相關(guān)規(guī)定,橋梁抗震計(jì)算方法可采用單振型或多振型反應(yīng)譜法，其方法是在一定阻尼系數(shù)的條件下輸入不同地面運(yùn)動(dòng)后不同固有頻率的單質(zhì)點(diǎn)體系得到的位移反應(yīng)，速度反應(yīng)和加速度反應(yīng)最大值的外包絡(luò)曲線[3]，反應(yīng)譜擬合相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 反應(yīng)譜擬合相關(guān)參數(shù)

2.1 E1地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)

依照公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T B02-01—2008)中5.2.1與5.2.2的相關(guān)規(guī)定擬合E1地震條件下反應(yīng)譜函數(shù)曲線見圖3。

圖3 E1地震反應(yīng)譜函數(shù)曲線

抗震計(jì)算考慮順橋向的內(nèi)力及橫橋向的內(nèi)力及位移。首先對(duì)橫橋向進(jìn)行計(jì)算，得出E1地震作用下橫橋向各墩的剪力值如表2。

表2 橫橋向各墩的剪力值 kN

各墩的彎矩值如表3。

表3 橫橋向各墩的彎矩值 kN·m

由計(jì)算結(jié)果來看，E1地震作用下橫橋向的最大內(nèi)力因?yàn)闃俄斚盗旱牟贾糜袝r(shí)并非出現(xiàn)在墩底，而是出現(xiàn)在墩與系梁連接位置，提取其各個(gè)工況下最大剪力值與最大彎矩值對(duì)比如圖4、圖5。

圖4 E1地震作用下橫橋向各工況最大剪力值

圖5 E1地震作用下橫橋向各工況最大彎矩值

通過對(duì)比可以看出，橫橋向其最大彎矩與最大剪力的大小有一致性，工況5最大內(nèi)力較小，其內(nèi)力在各墩中分布較好，樁頂系梁布置合理。

同時(shí)考慮在地震作用下的墩頂位移，因順橋向位移一般有橋臺(tái)作為約束[4]，故本文只考慮橫橋向位移，對(duì)其在E1地震作用下的響應(yīng)進(jìn)行分析，得出數(shù)據(jù)如圖6。

圖6 E1地震作用下橫橋向各工況墩頂位移量

通過位移數(shù)據(jù)可以看出：3個(gè)橋墩位移變化均一致。在工況5下樁頂系梁的設(shè)置對(duì)墩頂?shù)奈灰朴忻黠@改善，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工況5在橫橋向具有較好的安全性。

針對(duì)E1地震作用下對(duì)順橋向的響應(yīng)分析，計(jì)算得出E1地震作用下順橋向剪力見圖7。計(jì)算得出E1地震作用下順橋向彎矩見圖8。

圖7 E1地震作用下順橋向剪力

圖8 E1地震作用下順橋向彎矩

通過計(jì)算結(jié)果可知：在順橋向，各墩最大的內(nèi)力均出現(xiàn)在各墩墩底。樁頂系梁位置的改變會(huì)影響其向內(nèi)力分布，較矮墩(3號(hào)墩)的內(nèi)力值相對(duì)較大。值得注意的是，工況5的最大彎矩相對(duì)最小，但最大剪力較大，且其最大剪力值出現(xiàn)在中墩，這是因?yàn)樵诠r5的2號(hào)墩墩底兩道系梁同時(shí)在該處，其剛度效應(yīng)較明顯，在依據(jù)工況5布置方式的實(shí)際設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)著重考慮對(duì)中間墩墩底抗剪能力的驗(yàn)算與保護(hù)。

通過以上研究，可以看出：陡橫坡下三柱墩內(nèi)力最大值一般出現(xiàn)在最矮墩的墩底處。依據(jù)工況5布置樁頂系梁在橫橋向各墩內(nèi)力分布與位移均較有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在順橋向，工況5彎矩雖小但中間墩剪力大。綜合對(duì)比各工況的內(nèi)力值與墩頂位移值，工況5具有一定的優(yōu)勢(shì)，但需著重驗(yàn)算中間墩墩底部位的抗剪強(qiáng)度。

2.2 E2地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)

在E2地震作用下，容許結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑形工作狀態(tài)，即此結(jié)果關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的變形，其E2反應(yīng)譜函數(shù)曲線見圖9。

圖9 E2反應(yīng)譜函數(shù)曲線

依據(jù)文獻(xiàn)[3]的研究，在規(guī)則橋梁中，剛度折減的反應(yīng)譜法趨于簡(jiǎn)單方便，且能夠滿足實(shí)際工程中的計(jì)算精度要求，故本次采用剛度折減反應(yīng)譜法，基于延性設(shè)計(jì)理論，橋墩在E1地震作用下進(jìn)入塑形階段，需要對(duì)橋墩的剛度折減加以考慮，根據(jù)城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，E2作用下的延性構(gòu)件的有效界面抗彎剛度按式(1)計(jì)算：

(1)

以設(shè)置墩柱間系梁的1號(hào)墩為例，屈服彎矩My=17 090.3，屈服曲率0.007 042 rad/m，Iyy=0.515 3 m4，Ec=3.0×107 kN/m3，

折減系數(shù)：

(2)

對(duì)截面剛度進(jìn)行折減后，再進(jìn)行E2地震作用下橫橋向位移計(jì)算，結(jié)果見表4，對(duì)比數(shù)據(jù)可以看出：①各工況在E2地震作用下實(shí)際位移變化不大，且均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于容許位移，均有充足的安全儲(chǔ)備；②在E2地震作用下，工況5橫向位移最小，其安全儲(chǔ)備最大，對(duì)比其他工況，是較有優(yōu)勢(shì)的。

表4 E2地震作用下橫橋向位移 m

3 結(jié)論

(1)在地震作用下，樁頂系梁布置位置的改變對(duì)橋梁內(nèi)力的大小和分布均有較大影響，綜合分析各種系梁布置情況、橫橋向與順橋向的內(nèi)力分布與位移，工況5的樁頂系梁布置方法，其內(nèi)力分布與位移情況較合理。

(2)在E1地震作用下，依照工況5設(shè)置樁頂系梁，順橋向和橫橋向最大內(nèi)力均出現(xiàn)在墩底。系梁的布置方式會(huì)改變橋墩的局部剛度，順橋向改善了彎矩分布，但會(huì)導(dǎo)致中間墩墩底剪力增加，實(shí)際設(shè)計(jì)施工中，應(yīng)注意驗(yàn)算順橋向中間墩墩底的抗剪強(qiáng)度或?qū)χ虚g墩墩底采取一定保護(hù)措施。

(3)在E2地震作用下，樁頂系梁的布置方法改變對(duì)墩頂位移影響不大，均有較大的安全儲(chǔ)備。