大跨度矮墩連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)

大跨度矮墩連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)

抗橋抗雨措施的目標(biāo)是減少橋梁工程的地震破壞，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全，減少經(jīng)濟(jì)損失。橋梁的抗震設(shè)計(jì),既要使震前用于抗震設(shè)防的經(jīng)濟(jì)投入不超過(guò)我國(guó)當(dāng)前的經(jīng)濟(jì)能力,又要使地震中經(jīng)過(guò)抗震設(shè)計(jì)的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內(nèi)。換言之,需要在經(jīng)濟(jì)與安全之間進(jìn)行合理平衡,這是橋梁抗震設(shè)防的合理安全度原則。本文將對(duì)華陽(yáng)特大橋利用雙曲面減隔震支座進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)述,以供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。1構(gòu)件性能目標(biāo)及抗震驗(yàn)算根據(jù)場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告及《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)(以下簡(jiǎn)稱抗震細(xì)則)第3.1.2條,擬建橋梁的抗震設(shè)防類別為A類。按抗震細(xì)則第9.1.1條,本橋?yàn)樘厥饪拐鹪O(shè)計(jì)橋梁,性能計(jì)算與抗震驗(yàn)算按抗震細(xì)則第9.4.1～9.4.2條及其條文說(shuō)明進(jìn)行。各構(gòu)件的性能目標(biāo)及抗震驗(yàn)算準(zhǔn)則詳見(jiàn)表1。對(duì)截面進(jìn)行彎矩-曲率(P-M-φ)分析可獲得My和Meq。2dp6根群樁基礎(chǔ)華陽(yáng)特大橋位于佛山市區(qū)。上部結(jié)構(gòu)采用109m+168m+109m跨PC連續(xù)箱梁,左右分幅,單幅橋?qū)?9.3m,采用C60混凝土。單幅主墩墩身采用C40箱形空心墩,寬11.7m,高約10m,墩厚4.5m;配9根D2.5m鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。單幅邊墩墩身采用C40箱形空心墩,寬9.7m,高約10m,墩厚2.5m;配6根D1.8m鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)。橋型布置如圖1所示。3震前震級(jí)結(jié)合加速度《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB50223-2008)第3.0.3條要求:特殊設(shè)防類結(jié)構(gòu)(A類橋梁)應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施;同時(shí),應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評(píng)價(jià)的結(jié)果且高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求確定其地震作用。根據(jù)項(xiàng)目場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告,本工程場(chǎng)地50年超越概率10%的地震峰值加速度歸檔到0.10g區(qū),地震基本烈度為Ⅶ度。E1和E2地震作用加速度反應(yīng)譜和加速度時(shí)程樣本分別如圖2～圖5所示。由抗震細(xì)則第9.3.6條規(guī)定,取阻尼比為0.05。4座板和下合成成巖結(jié)構(gòu)雙曲面球型減隔震支座是在較為成熟的球型滑動(dòng)支座基礎(chǔ)上,借鑒了摩擦擺支座的工作原理改造、開(kāi)發(fā)的一種新型支座。該支座將普通球型滑動(dòng)支座的平摩擦副改為大半徑球面摩擦副。主體包括一個(gè)具有滑動(dòng)凹球面的上支座板、一個(gè)具有雙凸球面的中支座板和一個(gè)具有轉(zhuǎn)動(dòng)凹球面的下支座板。摩擦副由不銹鋼板和分片鑲嵌的填充聚四氟乙烯的復(fù)合夾層滑板組成,如圖6所示。支座通過(guò)結(jié)構(gòu)自重沿滑動(dòng)曲面的切向分力提供回復(fù)力,利于震后上部結(jié)構(gòu)回到原來(lái)的位置。支座滑移滯回曲線的基本形狀如圖7所示。以固定支座為例說(shuō)明該種類型支座的工作原理如下:在正常使用狀態(tài)下,固定支座縱、橫橋向均受限位剪銷約束,可傳遞上部荷載,并提供需要的轉(zhuǎn)角;當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生且水平力超過(guò)剪銷破斷力后,限位剪銷被剪斷,限位約束解除,支座通過(guò)摩擦副相對(duì)滑移耗能,另外整個(gè)結(jié)構(gòu)體系抗推剛度下降,從而結(jié)構(gòu)周期得以延長(zhǎng),避開(kāi)了場(chǎng)地卓越周期,有效地降低了地震水平慣性力,達(dá)到減隔震的效果;地震過(guò)后,在回復(fù)力作用下,支座可回到原始位置附近,便于震后支座頂推復(fù)位。5樁—計(jì)算模型抗震設(shè)計(jì)依據(jù)空間桿系理論,采用Midas/Civil進(jìn)行計(jì)算分析。針對(duì)E1地震作用、剪銷剪斷時(shí)及E2地震作用三個(gè)狀態(tài)分別采取不同的計(jì)算假定和分析模型,詳見(jiàn)表2。分析時(shí)有以下要點(diǎn)。(1)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析計(jì)算時(shí),采用前150階振型進(jìn)行振型組合,振形參與質(zhì)量為99%。(2)全橋考慮土—下部結(jié)構(gòu)—上部結(jié)構(gòu)的共同作用抵抗縱、橫橋向地震作用,通過(guò)m法計(jì)算樁側(cè)土彈簧剛度模擬樁—土相互作用,取m動(dòng)=3.0m靜,并考慮飽和粉土和飽和砂土的液化效應(yīng)。(3)反應(yīng)譜分析中,計(jì)入邊墩承臺(tái)順橋向和橫橋向土側(cè)抗力,用土彈簧模擬,取m動(dòng)=3.0m靜,并考慮承臺(tái)側(cè)回填細(xì)沙的液化效應(yīng),E2地震作用時(shí),不考慮承臺(tái)側(cè)土抗力,考慮樁—土相互作用,考慮河道對(duì)主墩基礎(chǔ)的沖刷影響,忽略主墩承臺(tái)順橋向和橫向側(cè)土抗力。(4)分別考慮順、橫兩個(gè)方向荷載組合:以順橋向?yàn)槔?反應(yīng)譜分析時(shí),采用“恒載效應(yīng)+E2x+E2z???????√+Ex2+Ez2”的組合;非線性時(shí)程分析時(shí),以恒載為初始狀態(tài),同時(shí)輸入順、豎兩個(gè)方向地震波進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。前述Ex、Ez分別為順橋向、豎向地震作用的各振型最大效應(yīng)的CQC組合。全橋midas分析模型如圖8所示。6構(gòu)件與樁基的彈性校核截面的彎矩—曲率分析采用加州大學(xué)伯克利分校開(kāi)發(fā)的Ucfyber軟件。截面各纖維的本構(gòu)關(guān)系如下:約束鋼筋外側(cè)的混凝土采用無(wú)約束混凝土mander本構(gòu),約束鋼筋內(nèi)側(cè)混凝土采用約束混凝土mander本構(gòu),鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系。根據(jù)雙曲面球型減隔震支座的工作原理及支座布置,在E1地震作用下,順橋向地震主要由固定墩來(lái)承擔(dān),橫橋向地震由各墩頂所有支座一起承擔(dān)。構(gòu)件關(guān)鍵截面的抗震驗(yàn)算結(jié)果詳見(jiàn)表3、表4。墩身和樁基在E1作用下保持彈性,按美國(guó)加州抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則相應(yīng)條款驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度。此外,為了驗(yàn)證反應(yīng)譜分析的結(jié)果,同時(shí)用線彈性時(shí)程分析法進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算校核,兩者結(jié)果吻合較好。表3、表4中主墩樁基橫橋向內(nèi)力非控制值,未示出。由表可知,在E1地震作用下,橋墩及樁基彎矩需求M均小于抗彎能力My(M<My),剪力需求V均小于抗剪能力Vu,結(jié)構(gòu)處于彈性受力狀態(tài),結(jié)構(gòu)基本無(wú)損傷,不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),滿足抗震細(xì)則第9.4條及其條文說(shuō)明的抗震性能要求。7設(shè)計(jì)和驗(yàn)算破斷力考慮到E1橫橋向地震作用下邊墩樁基已經(jīng)受拉(拉應(yīng)力在1.0MPa以內(nèi)),支座的剪銷設(shè)計(jì)破斷力按E1地震作用下的支座剪力效應(yīng)進(jìn)行設(shè)置。此外,據(jù)支座廠家介紹,支座制作時(shí),剪銷破斷力可保證在+20%偏差范圍以內(nèi),因此抗震設(shè)計(jì)尚應(yīng)按設(shè)計(jì)剪銷破斷力的120%進(jìn)行主橋下部結(jié)構(gòu)的復(fù)核、驗(yàn)算。設(shè)計(jì)和驗(yàn)算破斷力詳見(jiàn)表5。根據(jù)雙曲面球型減隔震支座的工作原理,地震水平剪力超過(guò)剪銷破斷力前,摩擦副不能發(fā)揮作用,支座的邊界條件可與E1地震計(jì)算相同。預(yù)先假定各構(gòu)件保持在彈性范圍(后續(xù)的強(qiáng)度驗(yàn)算可證實(shí)此假設(shè)),且本橋不存在幾何非線性,支座剪銷剪斷前同樣可按主從約束進(jìn)行模擬,此時(shí)計(jì)算仍為線彈性分析,滿足疊加原理,可將E1地震反應(yīng)譜約乘以1.2的擴(kuò)大系數(shù)輸入,進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算和截面驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果為該狀態(tài)滿足規(guī)范要求,此不再贅述。8第二,地震反應(yīng)中,兩組在E2地震作用下,支座順橋向和橫橋向剪銷均已被剪斷,此時(shí)結(jié)構(gòu)效應(yīng)存在以下兩個(gè)特點(diǎn):(1)隨著支座水平剛度的下降,整個(gè)結(jié)構(gòu)體系的抗推剛度也下降,同時(shí)摩擦副在滑移下不斷耗能,下部墩身、承臺(tái)和樁基的內(nèi)力值相對(duì)E1地震作用下降低頗多(約降至其的20%～30%),已不再需要進(jìn)行內(nèi)力驗(yàn)算;(2)支座滑移位移較大,因此支座制作時(shí)應(yīng)充分考慮相對(duì)滑移的要求。E2地震作用下的支座滑移位移時(shí)程曲線舉例如圖9所示。不同地震波輸入對(duì)應(yīng)的支座滑移位移最大值詳見(jiàn)表6、表7?？紤]到地震發(fā)生的不確定性,支座制作時(shí)需預(yù)留的地震滑移位移設(shè)計(jì)量最終確定為:順橋向150mm,橫橋向150mm。9支柱剪銷與破斷力的控制主橋最終選定的支座設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表8,幾點(diǎn)特別說(shuō)明如下:(1)表中滑移剛度為參照已建類似項(xiàng)目確定;(2)80000DX和10000DX支座的順橋向組合位移除地震滑移位移之外還包括正常使用狀態(tài)下的溫度、收縮、徐變等作用產(chǎn)生的梁底與墩頂?shù)南鄬?duì)位移;(3)單幅橋順橋向僅固定墩墩頂?shù)膬蓚€(gè)支座設(shè)置剪銷,單幅橋橫向8個(gè)支座均設(shè)置剪銷;(4)支座制作時(shí),剪銷實(shí)際破斷力應(yīng)控制在1～1.2倍之間;(5)由于同一橋墩墩頂?shù)膬蓚€(gè)支座均設(shè)置了橫向剪銷,為保證正常使用狀態(tài)下橋梁的橫向收縮、徐變和溫度脹縮,每個(gè)支座安裝就位后橫橋向應(yīng)保證留有±3mm的活動(dòng)間隙。10頂推頂推復(fù)位方案考慮到地震烈度可能超過(guò)預(yù)期,為防止落梁,采取以下相應(yīng)措施:各墩相應(yīng)設(shè)置墩頂與梁底順、橫橋向擋塊,并于擋塊間預(yù)留足夠的間隙以滿足需要的滑移要求。擋塊間、邊墩蓋梁前墻內(nèi)側(cè)均設(shè)置橡膠墊塊,以起到一定的緩沖作用?？紤]到強(qiáng)震后支座不能完全回復(fù)至原位(注:經(jīng)計(jì)算,震后支座仍存在2～3cm的殘余位移未能恢復(fù)),需用千斤頂施加外力頂推復(fù)位。相應(yīng)的支座頂推復(fù)位方案如下:(1)主墩位置處,以箱梁底伸出的梁底著力塊為反力點(diǎn)縱向頂推支座下座板,以實(shí)現(xiàn)順橋向頂推復(fù)位;(2)以13號(hào)、14號(hào)墩頂擋塊為反力點(diǎn)橫向頂推支座上座板,同時(shí)以14號(hào)墩梁底擋塊為反力點(diǎn)橫向頂推支座下座板,以實(shí)現(xiàn)橫向頂推復(fù)位。11剪銷破斷力驗(yàn)算通過(guò)以上抗震分析與設(shè)計(jì),對(duì)華陽(yáng)特大橋主橋,有以下結(jié)論和心得體會(huì)。(1)E1地震作用下,需要且能使結(jié)構(gòu)保持彈性,剪銷不會(huì)破斷,橋梁不用修復(fù)即可使用。(2)剪銷破斷時(shí),結(jié)構(gòu)能夠保