高墩多跨梁橋抗震性能設(shè)計研究

1?工程背景梯貢2號大橋位于橫斷山西部的三江地區(qū)，大橋位于沿瀾滄江上游，設(shè)計水位3?151.5?m。該橋的橋面寬度為11.0?m，橋梁全長為369.815?m，縱斷面坡度為0.5?%，橋梁交角為120?°；墩臺徑向布置。橋面以下的主要承受構(gòu)件為預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁，其簡支于雙圓柱形橋墩上。因部分橋墩位于瀾滄江中，為減少橋墩阻水面積，確保行洪安全，水中橋墩的上部結(jié)構(gòu)及蓋梁采用斜交120?°，墩柱以下結(jié)構(gòu)采用斜交135?°，墩臺基礎(chǔ)類型選用鉆孔灌注樁。橋梁基礎(chǔ)施工應(yīng)盡量選擇在旱季進(jìn)行，且避免在降水較為集中、降雨量大的夏季進(jìn)行施工，以減少或避免由于雨水浸泡而造成橋梁持力層強度的降低。因部分橋墩位于不穩(wěn)定邊坡處，橋墩基礎(chǔ)施工時應(yīng)做好邊坡防護(hù)工作。2?計算模型通過軟件將墩梁的計算模型劃分為169個梁單元。在有限元計算中，墩梁采用剛性連接和彈性連接兩種連接方式，樁底采取一般支護(hù)固結(jié)。各橋墩的高度見表1，墩梁的有限元模型計算如圖1所示。表1?各橋墩高度

m圖1?有限元計算模型示意為了研究該橋墩和橋梁的結(jié)構(gòu)動力特性，對振動頻率和振動周期進(jìn)行研究。并通過有限元模型分析得到橋梁的前10階模態(tài)，見表2。表2?高墩橋梁自振特性由表2可知，該橋基頻為0.35?Hz，小于正常墩高的橋梁基頻。原因是該橋具有較大的柔度，結(jié)構(gòu)剛度小于普通橋梁。結(jié)果表明，在設(shè)計中應(yīng)通過加強高墩的縱向推力剛度，降低伸縮縫的縱向位移和破壞概率。為便于對墩梁之間的合理連接進(jìn)行研究，建立了不同連接方式下的另一個計算模型，見表3。表3?橋臺連接橋墩及主梁結(jié)構(gòu)自振特性從表2和表3可得出，由于連接方式的改變，橋梁的模態(tài)頻率、自振周期和模態(tài)特性都有明顯的變化，頻率明顯降低，對結(jié)構(gòu)不利。前幾階振動主要是主墩的振動，振動頻率很小，說明在荷載激勵下，容易激起橋墩的振動，不利于承載力和抗震性能。3?地震時程響應(yīng)分析根據(jù)JTG/T?B?02–01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》和JTGB?02—2013《公路工程抗震規(guī)范》，判定該橋所在區(qū)域的地震烈度為7度，反應(yīng)譜周期為0.35?s，環(huán)境類別為Ⅱ類，地震動峰值加速度為0.1?g。因此本橋地震設(shè)計類別采用的是Ⅳ類，設(shè)計烈度為8度。通過直接積分法計算E1的地震作用，并通過線彈性時程分析方法進(jìn)行分析。通過輸入多個地震波激勵方向，即沿橋向、橫向和豎向，分析研究了地震運動的多維性。其中前兩種方向?qū)儆谒降卣鸩?，后兩種方向?qū)儆诖怪钡卣鸩āＮ覈F(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范主要采用的反應(yīng)譜形式為豎向地震加速度反應(yīng)譜，該反應(yīng)譜通過將水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜與譜比函數(shù)R相乘計算得到。圖2為橋梁頂端墩梁固結(jié)位移曲線，圖3為橋墩支撐連接位移曲線。圖2?橋梁頂端墩梁固結(jié)位移曲線（a）沿橋位移；（b）橫向位移圖3?橋墩支撐連接位移曲線（a）沿橋位移；（b）橫向位移從圖2和圖3可得出，在施加地震荷載作用下，墩梁通過支座連接與墩梁固結(jié)相比，沿橋端的位移有顯著增加。從梁端自振頻率和位移的變化來看，高墩橋梁宜采用多墩多主梁的加固形式，以提高其整體剛度和抗震性能。地震荷載作用下橋墩下底截面內(nèi)力峰值見表4。表4?地震荷載作用下橋墩下底截面內(nèi)力峰值從表4可見，橋墩內(nèi)力變化隨著地震荷載的改變表現(xiàn)出以下特點：橋梁的墩高對地震荷載的響應(yīng)存在顯著差異，而且高墩與低墩的長細(xì)比和剛度也有所不同。在不同的地震荷載作用下計算發(fā)現(xiàn)，低墩應(yīng)承擔(dān)的作用力比例較大，表現(xiàn)出較強的內(nèi)力響應(yīng)。因此，下墩與主梁之間的連接為支座連接，其余為加固連接，以傳遞地震作用下下墩的荷載，使內(nèi)力分布均勻。4?橋梁抗震設(shè)計結(jié)合山區(qū)的實際地質(zhì)構(gòu)造，根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范，本合同段路線地震動峰值加速度值采用0.20?g，地震基本烈度選擇為Ⅷ度，反應(yīng)譜特征周期在0.40~0.45?s，橋梁抗震設(shè)防類別采用B類。根據(jù)基本橋梁抗震規(guī)范規(guī)定中要求的橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)應(yīng)為：在小地震荷載作用下，沒有受到地震破壞的不進(jìn)行修復(fù)工作仍可繼續(xù)使用。4.1?橋梁防脫落設(shè)計當(dāng)活動斷裂帶的水平錯動過大，縱向擋塊的限位失去作用時，為防止落梁，需增加帽梁縱向?qū)挾?，帽梁縱向?qū)挾鹊脑O(shè)置原則為：當(dāng)發(fā)生最大水平錯位時，鋼箱梁支點中心仍位于帽梁范圍以內(nèi)。根據(jù)地震安評報告，本橋跨越斷裂帶區(qū)域最大水平錯位為1.5?m，本橋鋼箱梁支座中心距離過渡墩帽梁邊緣為1.57?m，可滿足最大水平錯位的要求。4.2?橋梁耐久性設(shè)計梯貢2號大橋的設(shè)計使用年齡為100年。大橋由鋼筋混凝土樁基、橋墩、混凝土結(jié)構(gòu)梁體、鋼結(jié)構(gòu)梁體、支座、伸縮縫等多種構(gòu)件組成，不同構(gòu)件的使用壽命周期不一致。其中主體橋梁、橋墩的鋼混結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年齡均為100年，不可更換。此外，要維持其他次級結(jié)構(gòu)使用功能也應(yīng)具有相應(yīng)的使用年齡，必須采用最高標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計（表5）。表5?橋梁各構(gòu)件設(shè)計使用年限

年橋梁的不同構(gòu)件根據(jù)所處區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造條件不同，在結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)相應(yīng)的橋梁設(shè)計規(guī)范，設(shè)計不同耐久性方案?；诓煌h(huán)境、地質(zhì)條件的梯貢2號大橋耐久性設(shè)計方案見表6。表6?大橋不同構(gòu)件耐久性防腐措施5?結(jié)論通過研究高強度山區(qū)高墩多跨梁橋，通過有限元模型建立各結(jié)構(gòu)的有限元模型，模擬各種構(gòu)件的荷載和響應(yīng)，同時采取線性時程分析法，分析高橋墩連續(xù)多跨梁橋的地震反應(yīng)特點，得出以下結(jié)論。（1）在地震荷載的作用下，橋墩底部截面的橫向力要大于沿橋截面的橫向力，這與結(jié)構(gòu)第一模態(tài)的振動響應(yīng)一致。設(shè)計中采用的空心墩截面結(jié)構(gòu)合理，橋梁橫向剛度大于橋梁縱向剛度，能夠滿足結(jié)構(gòu)受力和抗震設(shè)計的需要。（2）在地震荷載作用下，高橋墩連續(xù)多跨梁的主要振動方式為平面外振動。截面剛度和沿橋向剛度存在差異，按受力考慮結(jié)構(gòu)抗