连续刚构桥桥墩抗震性能分析与设计优化实例.pdf
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1、作 者 简 介:肖 强(),男,江 西 新 余 人,硕 士 研 究 生,工 程 师,主 要 从 事 桥 梁 设 计 与 理 论 研 究 工 作。连续刚构桥桥墩抗震性能分析与设计优化实例肖强(江 西 省 交 通 设 计 研 究 院 有 限 责 任 公 司,江 西 南 昌)摘要:文 章 以 一 座 连 续 刚 构 桥 为 工 程 实 例,首 先 采 用 时 程 分 析 方 法 计 算 其 在地 震 作 用 下 的 主墩 响 应。其 次 对 主 墩 进 行 纵 横 向 的 抗 震 性 能 评 估,并 优 化 主 墩 构 造 及 配 筋。最 后 在 优 化 的 基 础 上确 定 主 墩 纵 横 向 的
2、 抗 震 设 计 模 式。结 果 表 明:刚 构 桥 可 采 用 纵 向 弹 性 设 计,横 向 延 性 的 设 计 方 法;通 过 在 高 墩 中 部 增 加 系 梁 可 平 衡 高 矮 墩 的 纵 向 刚 度,并 且 系 梁 墩 刚 度 比 为,且 系 梁 配 筋 较 弱时,高 矮 墩 受 力 比 较 平 均 合 理。关 键 词:连 续 刚 构;抗 震;延 性 设 计;系 梁;刚 度 比前言地 震 对 人 类 的 危 害 较 大,全 球 每 年 平 均 发 生 的地 震 灾 害 多 达 几 十 次。桥 梁 工 程 作 为 交 通 运 输 网络 的 重 要 组 成 部 分,在 历 次 地 震
3、 中,抗 震 救 援 的 巨大 困 难 就 在 于 桥 梁 发 生 破 坏 与 倒 塌 及 其 带 来 的 次生 灾 害。随 着 我 国 公 路 交 通 建 设 的 高 速 发 展,桥 梁 建 设中 对 于 行 车 平 顺、结 构 安 全、快 速 施 工 的 要 求 越 来越 高,而 连 续 刚 构 桥 凭 借 其 较 大 的 抗 弯 和 抗 扭 刚度、行 车 平 顺 性 好、伸 缩 缝 少、施 工 方 便 以 及 造 价 相对 经 济 等 优 点,成 为 我 国 跨 径 范 围 内 的首 先 考 虑 的 桥 型,。同 时 我 国 丘 陵 和 山 地 等 地 形很 多,为 了 适 应 高 山
4、低 谷 的 线 形,在 山 区 进 行 桥 梁建 设 时 也 会 优 先 考 虑 高 墩 大 跨 的 连 续 刚 构 桥。我国 近 年 来 建 造 了 大 量 的 刚 构 桥,其 中 包 括 较 多 的 百米 高 墩 大 跨 桥 梁,且 在 西 部 高 地 震 烈 度 地 区 占 比 重比 较 大。随 着 高 墩 大 跨 径 混 凝 土 连 续 刚 构 桥 的大 量 建 设,相 关 的 结 构 安 全 性 及 地 震 危 险 性 评 估 研究 已 成 为 桥 梁 领 域 的 研 究 热 点。桥 梁 概 况四 川 省 九 绵 高 速 某 大 桥 主 桥 为 预 应 力 混 凝 土 连 续 刚 构
5、,主 墩 采 用 双 薄 壁 墩,过 渡墩 采 用 变 截 面 实 体 墩;基 础 采 用 钻 孔 灌 注 桩 基 础。桥 面 净 宽,桥 面 布 置:(护 栏)(行 车 道)(护 栏)。桥 址 所 在 地 抗震 设 防 烈 度 为度,地 震 动 峰 值 加 速 度 为,地震 动 反 应 谱 特 征 周 期 ,场 地 类 别 为类,桥 梁 抗 震 设 防 类 别 为类。图桥 型 布 置 图在 地 震 作 用 下,大 跨 刚 构 桥 各 构 件 的 控 制 截 面位 置 可 依 据 日 本 道 路 桥 抗 震 规 范 中 给 出 的 刚 构 桥地 震 时 的 潜 在 塑 性 区 域 进 行 选
6、取,如 图所 示。其中,桥 墩 根 部 一 般 称 之 为“主 塑 性 区 域”,主 梁 支 点附 近 一 般 称 之 为“次 塑 性 区 域”,从 图 中 可 看 出,刚构 桥 抗 震 设 计 的 重 点 位 置 主 要 在 桥 墩 上 下 根 部,并且 都 是地 震 作 用 下 的 响 应 进 行 控 制 设 计,因 此本 桥 针 对 主 墩 进 行地 震 作 用 下 的 抗 震 性 能分 析。图刚 构 桥 控 制 截 面 示 意 图计 算 模 型 建 立根 据 桥 梁 结 构 的 总 体 构 造 布 置,考 虑 桥 台 的 边界 影 响,建 立 大 桥 空 间 有 限 元 模 型。由 于
7、 该 桥 在地 震 作 用 下 均 保 持 在 整 体 弹 性 范 围 内,因 此 在地震 作 用 时 程 分 析 中 全 桥 主 梁、墩、桩 基 自 身 均 模 拟 为考 虑 了 剪 切 变 形 的 三 维 弹 性梁 单 元。活 动 支 座参 考 公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范()条,过 渡 墩 支 座 活 动 水 平 方 向 恢复 力 模 型 如 图。xy-FmaxFmaxF(x)图活 动 支 座 水 平 方 向 恢 复 力 模 型伸 缩 缝 公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范()条 要 求:局 部 模 型 应 考 虑 相 邻 结 构 和 边界 条 件 的 影 响。目 前,我
8、国 规 范 中 尚 未 给 出 伸 缩 装置 的 模 拟 方 法,实 际 工 程 中 可 参 考 王 军 文 及 范 立础的 建 议,采 用 线 性 弹 簧阻 尼 器 模 型 模 拟 伸 缩缝 处 的 碰 撞 效 应。碰 撞 力 可 表 示 为:()()()()()()()()()()式 中:()时 刻 的 碰 撞 力;弹 簧 刚 度;()碰 撞 体 在时 刻 的 相 对 侵 入 值,()表 示 已 发 生 接 触,()表 示 未 发 生 接 触;()碰 撞 体 在时 刻 的 相 对 速 度;、碰 撞 体 在时 刻 各 自 的 位 移;、碰 撞 体 在时 刻 各 自 的 速 度;初 始 间 隙
9、;阻 尼 器 阻 尼 系 数。伸 缩 缝 碰 撞 刚 度 依 据 王 东 升的 建 议,取 为 倍 短 主 梁 轴 向 刚 度。邻 联 采 用 纵 向 弹 簧 模 拟,弹 簧 刚 度 取 为 邻 联 桥 墩 并 联 刚 度。桩土 相 互 作 用本 桥 是 典 型 的 群 桩 基 础,基 础 主 要 包 括 承 台 及 桩基。对 于 群 桩 基 础 在 地 震 响 应 分 析 中 的 有 限 元 模 拟,核 心 问 题 就 是 土结 构 体 系 的 相 互 作 用。目 前 理 论分 析 方 法 主 要 包 括:基 于 文 克 尔 地 基 梁 模 型 的 简 化 模型 方 法、有 限 元 方 法、
10、边 界 元 方 法 及 混 合 法 等。其 中工 程 应 用 最 多 的 且 与 我 国 规 范 概 念 相 吻 合 的 方 法 为基 于 文 克 尔 地 基 梁 模 型 的 简 化 模 型 方 法。因 此,本 次 分 析 桩 基 础 使 用 分 层 文 克 尔 土 弹 簧模 型 模 拟,地 基 比 例 系 数值 参 考 公 路 桥 涵 地 基与 基 础 设 计 规 范()。依 据 公路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范()第 条,动 力 计 算 时,土 抗 力 的 取 值 比 静 力 大,一般 取动()静,本 次 研 究动取静的 倍。全 桥 空 间 有 限 元 模 型 如 图所 示。位移接触力
11、位移接触力图主 桥 模 型地 震 动 时 程 及 工 况地 震 作 用 采 用 时 程 分 析 方 法,为 考 虑 地 震 动的 随 机 性,设 计 加 速 度 时 程 不 得 少 于 三 组,且 应 保证 任 意 两 组 间 同 方 向 时 程 的 相 关 系 数的 绝 对 值小 于。对 于地 震,根 据 大 桥 工 程 场 地 地 震安 全 性 评 价 报 告 拟 分 别 采 用 以 下 三 条 人 工 波 对 结构 进 行 抗 震 分 析,加 速 度 时 程 纵 坐 标 单 位。()地 震 波(以 下 简 称波)3210-1-2-3-40 2 4 6 81216 2024 28 3236
12、 40 4448()加 速 度 时 程109876543210绝对加速度(m/sec2)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.510周期Tn(秒)()波 加 速 度 反 应 谱图 波 抗 震 分 析()地 震 波(以 下 简 称波)43210-1-2-3-40 2 4 6 812162024283236404448()加 速 度 时 程109876543210绝对加速度(m/sec2)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.510周期Tn(秒
13、)()加 速 度 反 应 谱图 波 抗 震 分 析()地 震 波(以 下 简 称波)43210-1-2-3-40 2 4 6 812162024283236404448()加 速 度 时 程109876543210绝对加速度(m/sec2)0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.510周期Tn(秒)()加 速 度 反 应 谱图 波 抗 震 分 析参 考 公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范()条 及 ,进 行 曲 线桥 地 震 响 应 分 析 时,可 分 别 考 虑 沿 一 联 两 端 桥 墩 连线 方 向 和 垂
14、直 连 线 方 向 的 地 震 输 入,建 立 如 表所示 的 地 震 分 析 工 况。下 部 结 构 地 震 响 应 分 析阻 尼本 次 分 析 中 粘 滞 阻 尼 效 果 采 用 瑞 利 定 值 阻 尼数 学 模 型 考 虑。即:()式()中:,比 例 系 数。计 算 简 图 如 图。Damping Ratio.Totalb-dampinga-dampingW1W2图瑞 利 阻 尼 计 算 见 图表地 震 作 用 下 的 工 况地 震 作 用工 况地 震 波方 向组 合工 况 一工 况 二工 况 三波顺 桥 向(墩 与墩 连 线)恒 载 波 顺 波 横波横 桥 向(垂 直墩 与墩 连 线)
15、恒 载 波 横 波 顺波顺 桥 向(墩 与墩 连 线)恒 载 波 顺 波 横波横 桥 向(垂 直墩 与墩 连 线)恒 载 波 横 波 顺波顺 桥 向(墩 与墩 连 线)恒 载 波 顺 波 横波横 桥 向(垂 直墩 与墩 连 线)恒 载 波 横 波 顺 确 定 结 构 的 阻 尼 矩 阵,关 键 在 于 确 定 结 构 阻 尼比,以 及 两 阶 控 制 频 率、。通 常,钢 结 构 的 阻尼 比一 般 取,混 凝 土 结 构 的 取 值 为,本 文取 。与取 值 参 见 表。表瑞 利 阻 尼 模 型 特 征 参 数 取 值位 置 阻 尼 比顺 桥 向 阶 阶 横 桥 向 阶 阶 下 部 结 构
16、的 内 力 响 应图为地 震 作 用 下 墩 柱 及 桩 内 力 响 应 分布。从 图 中 可 以 看 出,顺 桥 向 墩 顶 底 内 力 响 应 都 比较 大,但 是 横 桥 向,只 有 墩 底 内 力 响 应 较 大。地震 作 用 下 墩 柱 及 桩 控 制 截 面 内 力 峰 值 见 表和 表()墩 顺 向 弯 矩 包 络 图()墩 横 向 弯 矩 包 络 图()桩 横 向 弯 矩 包 络 图图 地 震 作 用 下 墩 柱 及 桩 内 力 响 应 分 布表墩 及 桩 控 制 截 面 顺 桥 向 内 力 峰 值工 况构 件位 置轴 力最 大最 小顺 向 弯 矩顺 向 剪 力工况一墩矮 墩
17、墩 顶矮 墩 墩 底高 墩 墩 顶高 墩 墩 底矮 墩 桩 高 墩 桩 续 表工 况构 件位 置轴 力最 大最 小顺 向 弯 矩顺 向 剪 力工况二墩矮 墩 墩 顶矮 墩 墩 底高 墩 墩 顶高 墩 墩 底矮 墩 桩 高 墩 桩 注:轴 力 正 值 为 构 件 受 压,负 值 为 构 件 受 拉。表墩 及 桩 控 制 截 面 横 桥 向 内 力 峰 值工 况构 件位 置轴 力最 大最 小横 向 弯 矩横 向 剪 力工况一墩矮 墩 墩 底高 墩 墩 底矮 墩 桩 高 墩 桩 工况二墩矮 墩 墩 底高 墩 墩 底矮 墩 桩 高 墩 桩 工况三墩矮 墩 墩 底高 墩 墩 底矮 墩 桩 高 墩 桩 注
18、:轴 力 正 值 为 构 件 受 压,负 值 为 构 件 受 拉。通 过 以 上 分 析 结 果 得 知:()对 于 不 同 的 构 件 甚 至 同 一 构 件 不 同 的 内 力响 应 峰 值,并 不 是 一 定 在 同 一 工 况 下 发 生 的,因 此对 于 不 同 的 内 力 分 项 应 根 据 最 不 利 原 则 选 取 不 同的 工 况 进 行 验 算;()在 顺 桥 向 地 震 作 用 下,由 于 刚 构 桥 顺 桥 向“主 梁墩”框 架 效 应,导 致 墩 柱 轴 力 在 恒 载 轴 力 基础 上 下 波 动,图为 工 况 一 顺 向 地 震 作 用 下,矮 墩墩 顶 截 面
19、轴 力 时 程 图。在 墩 柱 抗 震 性 能 的 评 估 中,必 须 考 虑 轴 力 变 动 的 影 响;时间(秒)0-2000-4000-6000-8000-10000-12000-14000-16000-18000-20000轴力(kN)0510152025303540图矮 墩 顶 轴 力 时 程 图(工 况 一、顺 向 地 震 作 用)()墩 的 抗 震 设 计 主 要 由 矮 墩 控 制,在 顺 桥 向地 震 力 作 用 下,墩 柱 控 制 截 面 在 矮 墩 顶 部。在 横 桥向 地 震 力 作 用 下,墩 柱 控 制 截 面 在 矮 墩 底 部;()桩 基 在 地 震 力 作 用
20、 下 出 现 了 上 拔 力,这 主要 由 于 桩承 台 的 框 架 效 应 引 起;()桩 的 抗 震 设 计 主 要 由 矮 墩 桩 控 制,桩 基 的抗 弯 能 力 主 要 由 横 桥 向 地 震 作 用 控 制。墩 抗 震 性 能 评 估本 桥 在 进 行 分 析 时 钢 筋 本 构 采 用 能 考 虑“”效 应 的 修 正 梅 内 戈 托 与 平 托 模 型();混 凝 土 本 构 采 用模 型。对 于 验 算 采 用 的 最 终 地 震 响 应,参 考 城 市 桥梁 抗 震 设 计 规 范 ()第 条,当 采 用组 时 程 波 计 算 时,应 取组 计 算 结 果 的 最大 值。本
21、 桥 桥 墩 截 面 为 等 截 面,无 系 梁,混凝 土 型 号 为主 筋 采 用 抗 震 高 强 钢 筋,直 径,间 距(图,表)。zy图墩 顶 及 墩 底 截 面表墩 钢 筋 材 料 及 几 何 特 性材料型 号强 度(,标 准 值)构造位 置长 边短 边直 径()间 距()布 置 形 式双 排,外 侧 主 筋通 长,内 侧 主 筋在 墩 顶 及 墩 底范 围 截 断。双 排,外 侧 主 筋通 长,内 侧 主 筋在 墩 底范 围截 断 对 应 地 震 作 用 下 的 轴 力,截 面 分 析结 果 如 图所 示。110000100000900008000070000600005000040
22、0003000020000100000Moment(kNm)0510Curvature(1/m)()墩 截 面 顺 桥 向 弯 矩曲 率 曲 线35000030000025000020000015000010000050000000.511.5Curv ature10-3(1/m)Moment(kNm)()墩 截 面 横 桥 向 弯 矩曲 率 曲 线图截 面 分 析表墩 抗 弯 能 力 验 算位置方 向弯 矩响 应轴 力初 始 屈服 弯 矩等 效 屈服 弯 矩抗 震性 能墩顺 桥整 体 弹 性横 桥塑 性 通 过 表可 以 看 出,在地 震 作 用 下:对 于 顺 桥 向,墩 柱 截 面 的
23、弯 矩 响 应 均 小 于 等 效屈 服 弯 矩,此 时 虽 然 截 面 上 有 部 分 钢 筋 屈 服,但 由 于地 震 过 程 的 持 续 时 间 较 短,地 震 后,在 结 构 自 重 作 用下,地 震 过 程 中 开 展 的 裂 缝 一 般 可 以 闭 合,地 震 发 生后,基 本 不 影 响 车 辆 通 行 的 要 求,满 足地 震 作 用 下墩 柱 处 于 整 体 弹 性 范 围 内 工 作 的 性 能 目 标。对 于 横 桥 向,墩 柱 截 面 的 弯 矩 响 应 大 于 等 效屈 服 弯 矩,构 件 进 入 塑 性,此 时 采 用 弹 性 分 析 的 结果 将 和 实 际 情
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- 连续 刚构桥 桥墩 抗震 性能 分析 设计 优化 实例
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