山區(qū)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(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

由于山區(qū)復(fù)雜地形條件限制,山區(qū)橋梁墩高和墩高差較一般橋梁需求更高。根據(jù)相關(guān)調(diào)研結(jié)果,墩高40m以上的橋梁占比超過40%[1]。然而,我國許多山區(qū)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(yīng)需求更大,結(jié)構(gòu)間的碰撞效應(yīng)、落梁風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加。2008年,汶川發(fā)生8.0級大地震,山區(qū)橋梁大面積損傷破壞不僅延緩抗震救援進(jìn)度,更嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全[2-3]。因此,文章依托某山區(qū)橋梁,分析同聯(lián)內(nèi)不同墩高差與不同墩柱配筋率對結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

山區(qū)高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì),主要包括橋型整體設(shè)計(jì)、橋梁位置選擇、橋墩構(gòu)造選型和設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)?！豆窐蛄嚎拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231-01―2020)[4](以下簡稱“《規(guī)范》”)規(guī)定,橋梁抗震體系應(yīng)有穩(wěn)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(yīng)該有效避免因個(gè)別構(gòu)件的破壞而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌。鑒于山區(qū)高墩梁橋橋墩高、位移響應(yīng)大、碰撞效應(yīng)明顯等地震動反應(yīng)特點(diǎn),山區(qū)梁橋結(jié)構(gòu)抗震性能提升設(shè)計(jì)除應(yīng)注意橋梁選址、上下部結(jié)構(gòu)形式及其連接方式、耗能部位選擇等總體設(shè)計(jì)外,還應(yīng)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(fā)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(fā)生。根據(jù)相關(guān)研究[5-7]及《規(guī)范》第3.3.3條,以抗震合理概念設(shè)計(jì)原則出發(fā),編制如圖1所示研究技術(shù)路線圖,在此以墩柱參數(shù)為例展開研究。

圖1 研究技術(shù)路線圖

2 計(jì)算模型基礎(chǔ)條件

研究依托的工程案例為西部山區(qū)某梁橋。采用Midas模擬軟件,分析方法為反應(yīng)譜法和彈塑性時(shí)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(xù)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(chǔ)為樁基礎(chǔ),主梁內(nèi)預(yù)應(yīng)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(jì)算方法與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

文章分別采用反應(yīng)譜法、Pushover推倒分析和彈塑性時(shí)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(jié)構(gòu)的抗震性能[8-9]。根據(jù)《規(guī)范》第6.1.3條和6.1.4條規(guī)定,該橋?qū)儆谝?guī)則橋梁,E2地震作用下可以采用SM法或MM法分析計(jì)算。為了更加準(zhǔn)確地預(yù)測和研究結(jié)構(gòu)的地震行為,文章還采用了非線性時(shí)程分析法。根據(jù)設(shè)計(jì)資料參數(shù),計(jì)算模型的E2反應(yīng)譜如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值

2.3 模擬方法

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)以及《規(guī)范》第6.2條對結(jié)構(gòu)建模原則的建議和抗震概念設(shè)計(jì)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(jié),支座采用滯后系統(tǒng)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(shè)定

墩柱配筋率按照《規(guī)范》第8.2.4條建議設(shè)定,墩高差根據(jù)地形趨勢設(shè)定,墩柱配筋率和墩高差工況設(shè)定見表1。

表1 工況類型及設(shè)定

3 不同墩高差結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)在水平雙向E2反應(yīng)譜下的剪力結(jié)構(gòu)反應(yīng)見圖6,圖中橋墩從左至右依次編號為1#～4#。反應(yīng)譜荷載工況荷載組合取為:一期恒載+二期恒載+預(yù)應(yīng)力+反應(yīng)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(shí)各墩柱之間的剪力分布。具體結(jié)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(jù)表1,墩高差從10m提升至30m時(shí),4#矮墩縱向剪力值從1745kN提升至3177kN,提升幅度達(dá)82.1%。

E2反應(yīng)譜下墩柱的位移響應(yīng)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(lián)內(nèi)各墩分布的不均勻性也會增加。計(jì)算顯示,墩高差為10m時(shí),邊中墩位移差值為46mm;墩高差為30m時(shí),邊中墩位移差值則增加到121mm。

綜上可知,同一聯(lián)內(nèi)墩高差不易過大,否則將極大增加結(jié)構(gòu)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(chǎn)生較大位移變形,影響結(jié)構(gòu)的整體抗震性能。如受山區(qū)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(diào)節(jié)各墩之間的剛度差距。

4 不同墩柱配筋率結(jié)果分析

基于反應(yīng)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(jìn)行不同配筋率影響計(jì)算分析。

4.1 地震波選取

根據(jù)所在場地類型,選取地震波特征周期Tg為0.456s,持續(xù)時(shí)間為37.82s的EL Centro(310 Deg)地震波,并按1:0.85雙水平向輸入,經(jīng)峰值調(diào)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(cè)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(jié)果顯示,從工況一至工況四,即縱筋配筋率從0.009達(dá)到0.0156時(shí),2#墩的屈服彎矩由24690kN·m增加至36662kN·m,同時(shí)極限曲率也相應(yīng)增加。但在單側(cè)根數(shù)減少至12根及以下時(shí),會出現(xiàn)類似梁的“少筋”現(xiàn)象?？梢娺m當(dāng)增加墩柱的縱向鋼筋配筋率可以提升結(jié)構(gòu)抗彎承載力和極限曲率。文章選擇在單側(cè)縱筋數(shù)量20根,配筋率為1.29%的情況下進(jìn)行時(shí)程分析。經(jīng)過三次迭代,Pushover結(jié)果顯示,工況二配筋率下的橫向極限曲率為0.109rad/m,墩頂?shù)娜菰S位移為0.356m,橫向屈服彎矩穩(wěn)定在70607kN·m左右。

4.3 時(shí)程分析

實(shí)測地震波作用下,各墩墩底彎矩響應(yīng)值詳見表4。

表4 工況二下各墩墩底彎矩響應(yīng)值 單位：kN·m

由表4可知,2#墩因一側(cè)支座固結(jié),在地震波作用下表現(xiàn)出較大的彎矩響應(yīng)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(shè)計(jì)要求。

文章選取2#一側(cè)支座固定墩作為控制截面進(jìn)行闡述分析。

4.3.12#橋墩墩頂位移響應(yīng)結(jié)果

2#墩墩頂位移時(shí)程圖如圖10。

圖10 2#墩墩頂位移時(shí)程圖

由圖10可知,不考慮橋臺或相鄰聯(lián)之間的縱向約束作用時(shí),直線梁橋墩頂?shù)目v向位移比橫向位移響應(yīng)更大,達(dá)到了68mm。由此得出,高烈度地區(qū)橋梁遭遇地震時(shí),直橋梁端易發(fā)生碰撞效應(yīng),同時(shí)可能存在落梁風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)提前采取減隔震措施。橫向最大位移響應(yīng)僅為25mm,未超過墩頂容許位移0.356m?？傮w而言,墩柱配筋率在1.29%時(shí),結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)控制良好。

4.3.22#橋墩墩頂及墩底彎矩響應(yīng)結(jié)果

2#墩墩底彎矩-曲率響應(yīng)值見圖11。

圖11 2#墩墩底彎矩-曲率響應(yīng)值

圖11中,2#墩縱向彎曲曲率響應(yīng)與橫向數(shù)值接近,縱向略高,最大值達(dá)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(yīng)為6591kN·m,未達(dá)到單墩推倒分析時(shí)的首次屈服彎矩68328kN·m,更未達(dá)到屈服彎矩70607kN·m?？梢姸罩浣盥试?.29%時(shí),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(jié)果

墩頂(左)、墩底(右)纖維截面分析結(jié)果見圖12。

圖12 墩頂(左)、墩底(右)纖維截面分析結(jié)果

圖12中,淺色區(qū)域代表開裂,深色區(qū)域代表彈性?？梢娫谠O(shè)計(jì)地震荷載作用下,2#橋墩墩底截面將大面積開裂,塑性狀態(tài)表現(xiàn)明顯,但均未達(dá)到鋼筋屈服強(qiáng)度。

綜合圖10～圖12計(jì)算結(jié)果,邊中墩墩高差為10m,配筋率為1.29%時(shí),符合《規(guī)范》規(guī)定配筋率介于0.006～0.04的要求,結(jié)構(gòu)橋墩地震動響應(yīng)均不會超越位移、曲率限值,結(jié)構(gòu)抗震性能良好。根據(jù)其他工況配筋率下的時(shí)程分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),該工程配筋率介于0.01～0.02,結(jié)構(gòu)的抗震性能表現(xiàn)良好。

5 結(jié)論

(1)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),聯(lián)與聯(lián)之間的剛度比不宜過大,同一聯(lián)內(nèi)橋墩墩高差也不宜設(shè)置過大,否則將導(dǎo)致墩柱間剛度不均勻,進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)抗震性能。研究結(jié)果顯示,矮墩剪力響應(yīng)大,高墩位移響應(yīng)大。若受現(xiàn)實(shí)條件約束,應(yīng)選擇合理支座類型以調(diào)節(jié)各墩間的剛度差距。

(2)墩柱配筋率直接影響材料的本構(gòu)關(guān)系。適當(dāng)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(shí),橋梁結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的抗震性能,同時(shí)符合《規(guī)范》規(guī)定的配筋率介于0.006～0.04的要求。

(3)墩柱彈塑性纖維時(shí)程分析結(jié)果表明,固定墩的墩頂、墩底和系梁與墩柱節(jié)點(diǎn)處易進(jìn)入彈塑性狀態(tài),因此,為滿足結(jié)構(gòu)地震動強(qiáng)度和延性需求,建議對塑性鉸區(qū)進(jìn)行箍筋加密處理。