五跨連續(xù)梁橋抗震性能評價

五跨連續(xù)梁橋抗震性能評價

2008年四川四川地震期間，許多房屋倒塌，交通中斷，給人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。為此,2008年8月交通部全面修改公路橋梁抗震規(guī)范,對橋梁的建設(shè)提出了更嚴格的抗震要求及設(shè)計。同時,為了改善和提高橋梁主要是橋墩的抗震性能,各國學(xué)者在許多震害經(jīng)驗的基礎(chǔ)上提出了多種結(jié)構(gòu)形式。其中,部分填充鋼管混凝土結(jié)構(gòu)即在鋼結(jié)構(gòu)橋墩底部一定高度內(nèi)填充混凝土的一種結(jié)構(gòu)形式,改變了鋼結(jié)構(gòu)橋墩底部局部失穩(wěn)狀態(tài)及能夠改善橋墩的延性,得到了大量的研究與發(fā)展[5―9]。近年來,隨著減震隔震技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用,不但橋梁的某些構(gòu)件要有良好的抗震性能,同時也要求考慮橋梁整體滿足抗震要求。部分填充鋼管混凝土橋墩作為橋梁構(gòu)件具有良好的抗震性能,結(jié)合減震隔震支座的應(yīng)用,必將在未來中國城市特別是抗震設(shè)防等級高的城市橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。為此,本文以部分填充鋼管混凝土橋墩組成的城市高架橋為研究對象,分別在順橋和橫橋方向E2地震動作用(巨大地震動)下,進行非線性動力時程分析,并對各個橋墩進行抗震性能評價。1橋梁總體結(jié)構(gòu)方案在本文中,研究對象為五跨連續(xù)直線高架橋,橋全長200m,單孔跨徑40m,橋面寬12m。上部結(jié)構(gòu)由梁高2200mm的5片工字鋼板梁,200mm厚的混凝土橋面板和70mm厚瀝青混凝土橋面鋪裝組成,主梁之間間隔為2500mm;支承體系采用板式橡膠支座;下部結(jié)構(gòu),橋墩P1―橋墩P4為部分填充圓形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)獨柱式橋墩,墩高10m,墩徑為4.4m,鋼管壁厚32mm,彈性模量E=20600MPa,屈服強度σy=315MPa,鋼管內(nèi)填充混凝土的高度為3.5m,其抗壓強度為σc=24MPa,承臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)平面尺寸8.5m×8.5m,承臺高2.2m;橋臺A1和橋臺A2為鋼筋混凝土輕型橋臺,基礎(chǔ)采用挖孔灌注群樁基礎(chǔ);高架橋的立面,橋梁上部結(jié)構(gòu)見圖1。該橋主要的抗震構(gòu)件是橋墩,在大震時容許橋墩發(fā)生塑性變形但不能發(fā)生倒塌,其他構(gòu)件保留在彈性階段。為此,橋墩設(shè)計采用彈塑性理論進行設(shè)計,橋墩立面以及橫截面見圖2。2橋梁非線性動力時程分析根據(jù)現(xiàn)行公路橋梁抗震規(guī)范,該橋梁采用2階段抗震設(shè)計,即在E1地震動(設(shè)防地震動)作用產(chǎn)生的內(nèi)力與其他效應(yīng)組合進行第一階段抗震設(shè)計,滿足要求后再在E2地震動(巨大地震動)作用下對整體橋梁進行安全評價即第二階段抗震設(shè)計。從橋梁功能上考慮,在第二階段抗震設(shè)計中,橋梁的上部結(jié)構(gòu)和橋臺等構(gòu)件不容許發(fā)生塑性變形,橋墩是主要吸收地震能量的構(gòu)件。為此橋梁上部結(jié)構(gòu)采用彈性梁單元,支座采用線性剪切彈簧單元,基礎(chǔ)采用節(jié)點彈簧單元,橋墩采用非線性纖維單元。橋梁整體非線性動力分析模型見圖3(a)。其中部分填充鋼管混凝土橋墩的纖維單元劃分見圖3(b)和圖3(c)。本構(gòu)關(guān)系如圖4所示,鋼管采用雙線型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,初期剛度為鋼材的彈性模量E,二期剛度E1=1/100E;鋼管內(nèi)部填充的混凝土采用考慮鋼管橫向束縛的半拋物線型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。研究中,采用日本大成Ark公司開發(fā)的橋梁抗震分析專用軟件TDAPⅢ進行橋梁非線性動力時程分析。采用的地震動為在1995年日本兵庫縣南部地震在神戶海洋氣象臺采集到了的JMA的NS和EW。分別作用在高架橋的順橋和橫橋方向。在分析中,采用Newmark-β(β=0.25)直接積分方法,地震波持續(xù)時間為30s,積分時間間隔為0.001s。采用瑞利阻尼,其阻尼表達式如下:其中:[M]和[K]分別為橋梁的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣;α和β分別由式(2)和式(3)計算得到:在式(2)和式(3)中:f1和f2為橋梁的固有頻率;h1和h2分別為f1和f2所對應(yīng)的阻尼比。根據(jù)以往的研究成果,為避免過大評價阻尼作用,分析中f1取橋梁的基頻,f2設(shè)為50Hz,所對應(yīng)的阻尼比h1和h2為0.02。3分析的結(jié)果3.1或3g頂部位移-時間曲線圖5給出了JMA地震動NS成分地震波在順橋方向作用下橋墩P1(或P4)和P2(或P3)頂部位移-時間曲線。分析結(jié)果可知橋墩P1(或P4)墩頂在5.04s到達了最大位移42.2mm,橋墩P2(或P3)墩頂在5.05s到達最大位移38.6mm,兩者相比響應(yīng)位移差較小,表明在順橋方向上各橋墩共同承擔水平地震力作用。3.2頂位移-時間曲線同樣圖6中給出了在橫橋方向上作用JMA地震動NS成分地震波時的橋墩P1(或P4)和P2(或P3)頂部位移-時間曲線。結(jié)果可知橋墩P1(或P4)墩頂在5.06s到達了最大位移68.1mm,而橋墩P2(或P3)墩頂部在5.06s到達最大位移140mm,兩者相比響應(yīng)位移差較大。3.3橋墩底部水平反力圖7(a)和圖7(b)分別表示該座高架橋在順橋方向和橫橋方向JMA波的NS成分作用下P2(或P3)橋墩底部水平反力F-橋墩頂部反應(yīng)位移δ曲線。從分析結(jié)果可知,在順橋方向橋墩沒有達到屈服,但在橫橋方向作用JMA地震動時,各個橋墩達到屈服,并向塑性階段發(fā)展。與在橫橋方向地震動作用下相比,順橋方向作用下的橋墩響應(yīng)較小。由此可以看出,在相同地震動作用下,該座橋橫橋方向響應(yīng)大于順橋方向響應(yīng)。3.4橋墩安全狀態(tài)評價在JMA地震動作用下,橫橋方向與順橋方向橋墩抗震性能評價匯總見表1,橋墩抗震性能指標為屈服位移δy和橋墩極限位移δu。當橋墩頂部最大反應(yīng)位移δmax未超過屈服位移δy認為橋墩沒有損傷;當橋墩頂部最大反應(yīng)位移δmax超過屈服位移δy但未達到極限位移δu認為橋墩在地震中處于安全狀態(tài),但震后需要維修;當橋墩頂部最大反應(yīng)位移δmax超過極限位移δu認為橋墩在地震中是不安全的。從表1可知,該高架橋橋墩在順橋方向JMA地震動作用下,P1―P4橋墩的最大反應(yīng)位移δmax沒有超過屈服位移δy,認為沒有損傷。在橫橋方向地震作用下,P1―P4橋墩最大反應(yīng)位移δmax超過屈服位移δy,但未達到極限位移δu,判定該橋墩修復(fù)后可以使用。4抗震性能評價本文以城市五跨連續(xù)直線高架橋為研究對象,進行了非線性動力時程分析并對部分填充鋼管混凝土橋墩