《高墩橋梁抗震》doc

1、鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院碩士研究生課程論文課程名稱 抗震工程學(xué) 學(xué) 時(shí) 學(xué) 分 姓 名 張興達(dá) 主講教師 王建強(qiáng) 指導(dǎo)教師（若已選導(dǎo)師則填，否則不填）年 級 2014 學(xué) 號 z201421409 供職單位 河南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院 聯(lián)系電Email 492416217 提交日期 2014.12.23 淺論高墩橋梁抗震措施摘要:為研究高墩橋梁抗震措施,以某高墩橋梁為例進(jìn)行分析。建立該橋所有聯(lián)的線彈性計(jì)算模型,進(jìn)行動(dòng)力特性分析和反應(yīng)譜分析。分析結(jié)果表明:支座頂面與梁底面發(fā)生了相對滑移,支座剪切變形較大,存在落梁隱患。在該橋上設(shè)計(jì)合適的順橋向連梁裝置、橫向彈塑性擋

2、塊等抗震措施后,通過非線性時(shí)程分析驗(yàn)證其抗震效果。分析結(jié)果表明,采用的抗震措施可有效地控制墩頂位移、減小地震反應(yīng)。關(guān)鍵詞:連續(xù)梁橋;高橋墩;抗震;反應(yīng)譜法;非線性;時(shí)程分析法Study of Seismic Resistance Measures for High-Rise PierBridges Located in High Intensity Seismic RegionAbstract:To study the seismic resistance measures for high-rise pier bridges located in highintensity seismic

3、region,a high-rise pier continuous girder bridge in the region was cited as an example and analyzed.The linear elastic calculation models for all continuous units of the bridge were built and the analysis of the dynamic behavior and re-sponse spectrum was performed.The results of the analysis show t

4、he relative slip at the top of the bearings and at the bottom of the girder of the bridge takes place,the shear deformation of the bearings is great and the potential danger of fall of the girder exists.After the seismic resist-ance measures,such as the appropriate longitudinal girder link devices a

5、nd the transverse elastic stopping blocks,are designed for the bridge,the effect of the measures has been verified by the nonlinear time-history analysis and the results of the analysis show that the measures can effec-tively control the displacement atop the piers and reduce the seismic response.Ke

6、y words:continuous girder bridge;high-rise pier;seismic resistance;response spectrum method;nonlinearity;time-history analysis method1前言隨著我國高等級公路建設(shè)的發(fā)展,高烈度地震區(qū)高墩橋梁日益增多。高墩橋梁受震害后修復(fù)困難,影響地震后生命線的暢通,將給地震區(qū)帶來嚴(yán)重的次生災(zāi)害14。目前,國內(nèi)外尚缺乏高墩橋梁經(jīng)受高烈度地震的經(jīng)驗(yàn),而現(xiàn)有的大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于常規(guī)橋梁抗震分析,我國公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T B02-01-2008)5規(guī)定墩高超過

7、30 m的橋梁應(yīng)作專項(xiàng)研究。以處于高烈度區(qū)(設(shè)防烈度8.5度)的一座大橋?yàn)槔?分別進(jìn)行了反應(yīng)譜分析與非線性時(shí)程分析,研究了高墩橋梁在高強(qiáng)度地震作用下的地震反應(yīng)特點(diǎn),提出2種抗震措施,并采用非線性時(shí)程分析法驗(yàn)證其抗震效果。2工程概況及地震動(dòng)參數(shù)某高地震烈度區(qū)大橋上部結(jié)構(gòu)為40 m跨分離式雙幅先簡支后連續(xù)T梁,單幅橋面寬12.25 m。大橋4跨一聯(lián),共設(shè)置4道伸縮縫,分別位于P1、P5、P9和P13號墩對應(yīng)的T梁位置,橋型布置見圖1。大橋P1、P4、P5和P13號墩采用C40混凝土雙方柱墩,P2、P3和P6P12號墩由于地面橫坡較大,均采用C50混凝土獨(dú)柱式空心薄壁墩6,其中P2、P3號橋墩高達(dá)7

8、0 m。橋址處地震設(shè)防烈度為8.5度,50年10%超越概率峰值加速度為0.304g。地震輸入采用“順橋向+豎向”和“橫向+豎向”2種組合方式,豎向地震峰值加速度取相應(yīng)水平向峰值加速度的2/3。反應(yīng)譜分析的場地加速度反應(yīng)譜見圖2;時(shí)程分析時(shí),分別采用3條場地設(shè)計(jì)地面水平地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線,分析結(jié)果取3組反應(yīng)譜的平均值,其典型加速度時(shí)程曲線見圖3。3動(dòng)力特性分析分析和認(rèn)識(shí)橋梁的動(dòng)力特性是進(jìn)行抗震性能研究的基礎(chǔ)。建立全橋線彈性計(jì)算模型(圖4)進(jìn)行動(dòng)力特性分析。主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬,通過在樁身梁單元上施加側(cè)向土彈簧來模擬橋墩的樁-土相互作用,彈簧剛度采用m法計(jì)算7;采用專門的連接單元模擬圓

9、板式橡膠支座的彈性連接作用,墩頂處相鄰跨橋面先簡支后連續(xù)構(gòu)造采用專門的連接單元進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性主要表現(xiàn)在前幾階自振頻率和振型,表1列出了大橋前10階振型及振動(dòng)頻率。表1數(shù)據(jù)表明,振動(dòng)形式主要以橋墩的順橋向、橫向振動(dòng)為主,主要原因在于該橋橋墩普遍較高,結(jié)構(gòu)相對較柔,橋墩順橋向、橫向剛度較小。4反應(yīng)譜分析對該橋線彈性計(jì)算模型進(jìn)行反應(yīng)譜分析,圖6為結(jié)構(gòu)在2個(gè)輸入方向組合下單個(gè)支座剪切力最大值。由計(jì)算結(jié)果可知,由于支座頂面、底面與梁底和蓋梁頂均未設(shè)置連接措施,在地震動(dòng)作用下,大部分支座的順橋向彈性剪切力和部分支座的橫向彈性剪切力均超出了對應(yīng)的臨界滑動(dòng)摩擦力,其頂面與梁底面將發(fā)生相對滑移,且支座剪

10、切變形較大(其中P1號墩順橋向變形達(dá)0.20 m,橫向達(dá)0.19 m),存在落梁隱患,應(yīng)采取必要抗震措施。5抗震措施為了減小地震效應(yīng),加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性,提出了2種抗震措施。5.1順橋向連梁裝置為防止伸縮縫兩側(cè)相鄰梁端相對墩頂蓋梁順橋向位移過大而造成落梁,在各伸縮縫處相鄰兩梁端之間擬設(shè)置由精軋螺紋鋼筋(直徑32 mm)、配套螺帽和彈性橡膠墊塊組成的順橋向連梁裝置(圖6),其設(shè)計(jì)參數(shù)及布置情況見表2。5.2橫向彈塑性擋塊為防止橋梁上部結(jié)構(gòu)相對橋墩蓋梁發(fā)生過大的橫向位移而引起落梁事故,在各橋墩蓋梁頂面橫向兩側(cè)設(shè)置了由鋼型材制作的橫向彈塑性擋塊(圖7),其設(shè)計(jì)參數(shù)及布置情況見表3。6非線性時(shí)程分析反應(yīng)

11、譜分析只能反應(yīng)線彈性結(jié)構(gòu)的線彈性效應(yīng),一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非線性效應(yīng),如支座滑移、墩柱開裂、碰撞等現(xiàn)象,反應(yīng)譜分析的結(jié)果就不準(zhǔn)確,此時(shí)應(yīng)采用非線性動(dòng)力分析方法以全面反應(yīng)結(jié)構(gòu)的非線性特性。該橋非線性時(shí)程分析主要考慮了順橋向連梁裝置、橫向彈塑性擋塊、支座滑動(dòng)和伸縮縫等非線性因素對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。為了考察順橋向連梁裝置和橫向彈塑性擋塊的抗震效果,考慮2種工況進(jìn)行非線性時(shí)程分析。工況1,橋梁未安裝順橋向連梁裝置、橫向安裝混凝土擋塊;工況2,橋梁安裝順橋向連梁裝置和橫向彈塑性擋塊。6.1計(jì)算模型6.1.1順橋向連梁裝置模擬順橋向連梁裝置使用拉伸間隙單元進(jìn)行模擬,其力位移關(guān)系見圖8。相鄰梁端順橋向分離運(yùn)動(dòng)的間

12、隙值取該裝置所處伸縮縫寬度的0.5倍;順橋向彈性約束剛度K計(jì)算公式為8:1/K=1/Ks+1/Kp式中,Ks為限位螺帽之間精軋螺紋鋼筋的軸向剛度;Kp為限位螺帽之間兩側(cè)橡膠墊塊的串聯(lián)軸向剛度。6.1.2橫向彈塑性擋塊模擬橫向彈塑性擋塊近似采用理想彈塑性連接單元進(jìn)行模擬,其與梁體接觸點(diǎn)的力變形滯回曲線見圖9。其中滯回曲線的屈服力Fy和屈服變位y由擋塊的幾何構(gòu)造和材料力學(xué)性質(zhì)計(jì)算分析得到。6.1.3支座滑動(dòng)摩擦模擬對支座與梁底之間的縱、橫向滑動(dòng)摩擦近似采用理想彈塑性連接單元進(jìn)行模擬,其典型滯回曲線見圖10。滯回曲線屈服力Fy(即滑動(dòng)起始摩擦力)取支座恒載軸壓力N乘以動(dòng)摩擦系數(shù)。6.1.4伸縮縫模擬

13、地震作用下伸縮縫位置相鄰梁端可能發(fā)生彈性碰撞,故采用接觸單元對其進(jìn)行模擬。伸縮縫接觸單元的力位移關(guān)系見圖11。相鄰梁端順橋向合攏運(yùn)動(dòng)的間隙值取該裝置所處伸縮縫寬度的0.5倍;順橋向彈性碰撞剛度K取伸縮縫構(gòu)造順橋向壓密后的彈性剛度。6.2非線性時(shí)程分析結(jié)果6.2.1墩頂位移工況1、2的墩頂位移比較見表4。由表4可知,工況2由于考慮了順橋向連梁裝置、橫向彈塑性擋塊等措施后,墩頂?shù)目v、橫向位移均明顯小于工況1;同時(shí),工況2由于在各聯(lián)之間設(shè)置了順橋向連梁裝置,在地震作用下,各聯(lián)各墩之間的變形一致性相對很好,各墩中心的變形值在0.220.26 m之間。6.2.2墩底內(nèi)力工況1、工況2的墩底截面最不利彎矩

14、見表5。由表5可知,工況2第一聯(lián)P2P5號墩墩底順橋向彎矩相比工況1有所降低,第二、三聯(lián)橋墩順橋向彎矩則有所增加,主要原因是工況2采用的順橋向連梁裝置對每聯(lián)起到了連接作用,使得墩高較高的第一聯(lián)與其他聯(lián)之間存在內(nèi)力重分布。工況2墩底橫向彎矩普遍小于工況1,主要原因是工況2采用的彈塑性擋塊傳遞給墩身的橫向剪力總是等于其屈服荷載,可對墩身在橫向受力上形成能力保護(hù),減小了橋墩橫向地震反應(yīng)。7結(jié)論高墩橋梁在強(qiáng)震作用下具有明顯的非線性特征,按規(guī)范規(guī)定的線彈性反應(yīng)譜法計(jì)算分析已不能滿足結(jié)構(gòu)安全要求,因此對于高墩橋梁結(jié)構(gòu),應(yīng)采用能夠考慮高橋墩結(jié)構(gòu)特性、構(gòu)件各種非線性特征的非線性時(shí)程分析方法。選取合適的橫向彈塑

15、性擋塊,可有效地控制各墩頂橫向位移,對墩身在橫向受力上形成能力保護(hù),減小橋墩橫向地震反應(yīng)。通過本文的分析,可以得到如下結(jié)論:(1)反應(yīng)譜分析結(jié)果顯示,高墩橋梁在強(qiáng)震作用下支座頂面與梁底面易發(fā)生相對滑移,且支座剪切變形較大,存在落梁隱患,有必要設(shè)置縱向連梁裝置與橫向塑性擋塊等抗震措施。(2)選取合適的縱向連梁裝置,可有效控制各墩頂縱向位移,且各聯(lián)各墩之間的變形一致性較好,但需注意高墩與矮墩之間的內(nèi)力重分布對矮墩造成的不利影響。參考文獻(xiàn)(References):1李睿,俞進(jìn),楊忠恒,等.山區(qū)梁橋高墩的抗震概念設(shè)計(jì)J.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007,(3):30-32.(LI Rui,YU Jin,YANG

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