儲(chǔ)昭漢

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))第六設(shè)計(jì)院有限公司 合肥市 230000)

我國(guó)6度及以上地震烈度區(qū)占總國(guó)土面積的79%，8度及以上的高地震烈度區(qū)則占8%，這類區(qū)域往往會(huì)對(duì)橋梁抗震設(shè)計(jì)提出較高挑戰(zhàn)，而為了保證裝配式規(guī)則橋梁在高地震烈度區(qū)的抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量，正是圍繞高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震計(jì)算方法開(kāi)展具體研究的原因所在。

1 問(wèn)題分析

1.1 問(wèn)題探討

由于平原、丘陵等地區(qū)的公路橋梁墩身一般不高，因此設(shè)計(jì)人員多采用規(guī)則橋梁布置，相較于非規(guī)則橋梁，二者在地震動(dòng)響應(yīng)層面存在顯著差異，因此橋梁的抗震設(shè)計(jì)必須得關(guān)注橋梁規(guī)則性，同時(shí)還需要采取針對(duì)性較強(qiáng)的方法。不同于非規(guī)則橋梁多振型影響，規(guī)則橋梁可以采用單振型模型分析其基本振型控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，事實(shí)上我國(guó)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范涉及的相關(guān)橋梁抗震計(jì)算方法便多針對(duì)規(guī)則橋梁。深入分析不難發(fā)現(xiàn)，合理的抗震分析方法可較好保證抗震計(jì)算精度，而為了較好保障高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震效率、精度，正是研究必須解決的問(wèn)題[1]。

1.2 工程概況

為提升研究的實(shí)踐價(jià)值，選擇了某高烈度區(qū)一級(jí)公路上的S橋梁作為研究對(duì)象，該橋梁的抗震設(shè)防烈度為8度，橋位沒(méi)有跨線通航要求，場(chǎng)地條件為Ⅰ類，基本峰值加速度、區(qū)劃圖上的特征周期分別為0.3g與0.4s。為保證S橋梁的質(zhì)量和剛度平衡，該橋梁采用了等橋面寬度、等墩高、等跨徑的結(jié)構(gòu)形式，為提高行車(chē)平穩(wěn)舒適程度，在深入分析地質(zhì)條件后，設(shè)計(jì)人員選擇了先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁?？紤]溫度可能對(duì)S橋造成的影響，且溫度影響控制聯(lián)長(zhǎng)在160m內(nèi)，因此全聯(lián)在橋臺(tái)處設(shè)置了80型伸縮縫2道，S橋上部結(jié)構(gòu)則采用了5跨25mT梁，其橋面寬度為12m。

S橋的橋墩高度需盡可能相近，這是為了適應(yīng)連續(xù)的上部結(jié)構(gòu)，因此選擇了1.4m×1.4m雙柱矩形墩，橋墩的高度為10m。蓋梁、墩柱采用了C40混凝土，主梁采用了C50混凝土，采用了HRB335鋼筋作為墩柱受力鋼筋。為實(shí)現(xiàn)均勻的地震力分配，采用了可以吸收地震能量的板式橡膠支座，型號(hào)為GJZ450×500×114(CR)，數(shù)量為5個(gè)且需要全聯(lián)各墩臺(tái)上，同時(shí)需根據(jù)各墩串聯(lián)體系的水平剛度實(shí)現(xiàn)按比例進(jìn)行的水平地震力分配。為避免S橋出現(xiàn)橫橋落梁?jiǎn)栴}，需設(shè)置防震擋塊于T梁兩側(cè)，并加設(shè)防震橡膠塊于防震擋塊梁板側(cè)，蓋梁兩端擋塊的高度、寬度分別為60cm與40cm，圖1為S橋的橋型布置圖[2]。

2 抗震計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

S橋?qū)儆诘湫偷母吡叶葏^(qū)裝配式橋梁，因此抗震計(jì)算需首先明確其規(guī)則性，結(jié)合《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)，可確定S橋抗震設(shè)防類別為B類，屬于單跨跨徑在150m內(nèi)的一級(jí)公路上橋梁。對(duì)于E1地震作用下的S橋抗震設(shè)計(jì)，需保證S橋承載力滿足要求，地震動(dòng)輸入方向帶來(lái)的明顯方向性橋梁破壞也需要同時(shí)得到重視，考慮到S橋?qū)儆诓捎庙槝蛳蚩刂圃O(shè)計(jì)的直線橋梁，因此本研究的抗震計(jì)算僅圍繞順橋向抗震計(jì)算展開(kāi)[3]。結(jié)合表1，可確定S橋?qū)儆诘湫偷囊?guī)則橋梁，因此抗震分析的開(kāi)展可采用單振型反應(yīng)譜方法。

表1 橋梁規(guī)則性判斷

在應(yīng)用單振型反應(yīng)譜方法的S橋抗震分析中，為求出結(jié)構(gòu)的基本周期及振型，首先需確定結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)分析方法，最終方可求得地震力。S橋的上、下部結(jié)構(gòu)采用板式橡膠支座連接，上部結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)橋墩振動(dòng)施加約束，而結(jié)合橋梁震害調(diào)查不難發(fā)現(xiàn)，S橋的梁存在較大的縱、橫向位移，其支座也出現(xiàn)了一定程度的破壞，這可以證明上部結(jié)構(gòu)對(duì)橋墩振動(dòng)的約束效果較為有限，而結(jié)合同類研究經(jīng)驗(yàn)，本文研究開(kāi)展的規(guī)則橋梁抗震計(jì)算僅圍繞單墩模型展開(kāi)[4]。

2.2 計(jì)算參數(shù)

作為典型的裝配式規(guī)則橋梁，S橋的下部結(jié)構(gòu)自重遠(yuǎn)小于上部結(jié)構(gòu)自重，因此橋梁?jiǎn)握裥陀?jì)算模型的建立需構(gòu)建典型的“倒擺體系”，即在支座頂部集中布置上部質(zhì)量。在墩頂作用一個(gè)水平集中力，其靜力撓曲線便可以通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法求得，具體公式如下：

Xz=z2(3H-z)/6EI

(1)

式中的H、z分別為墩高、計(jì)算點(diǎn)到墩底的距離，結(jié)合式(1)即可依次開(kāi)展質(zhì)量參數(shù)、剛度參數(shù)的計(jì)算。考慮到S橋的地基剛度較大且地基變形較小，因此本文研究忽略地基變形，結(jié)合式(1)即可確定墩身重力換算系數(shù)為0.24，一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)的總重力則分別為25340kN與3974.4kN。

式(2)為第i號(hào)墩臺(tái)處支座的抗推剛度計(jì)算公式、式(3)為第i號(hào)墩的抗推剛度計(jì)算公式，式(2)、式(3)的計(jì)算結(jié)果分別為11842N/m、6.24×104kN/m。

(2)

(3)

結(jié)合式(2)、式(3)，可求得相應(yīng)于一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的全部板式橡膠支座抗推剛度之和、橋墩抗推剛度之和，分別為7.1×104kN/m、2.5×105kN/m。

設(shè)計(jì)的靈魂是創(chuàng)新而不是重復(fù)。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面要繼承優(yōu)秀的設(shè)計(jì)風(fēng)格和流派，另一方面，要有創(chuàng)新精神，以顯示酒店設(shè)計(jì)的個(gè)性與設(shè)計(jì)的獨(dú)特性，而不是機(jī)械地搜集和拼湊已有的模式，這樣，繼承才能是創(chuàng)新的。

2.3 地震作用

結(jié)合式(4)所示的《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》提供的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，可通過(guò)計(jì)算得出E1設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值為2.25CiCsCdA，即0.30375g，結(jié)合這一計(jì)算結(jié)果即可開(kāi)展E1設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜函數(shù)的建立。

(4)

2.4 基本周期及反應(yīng)譜值

結(jié)合E1設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜函數(shù)，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)基本周期、反應(yīng)譜值的計(jì)算，按照2個(gè)質(zhì)點(diǎn)體系模型進(jìn)行橋墩基本周期計(jì)算，可確定結(jié)構(gòu)基本圓頻率、結(jié)構(gòu)基本周期分別為21.23s、1.36s；由于結(jié)構(gòu)基本周期小于Tg，可確定基本周期對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜值為0.067g。

2.5 橋墩內(nèi)力

結(jié)合上述計(jì)算，可得出如下計(jì)算結(jié)果：

(1)第i號(hào)墩的組合抗推剛度=9953.14kN/m。

(2)第i號(hào)墩墩頂板式橡膠支座頂面處受到的上部結(jié)構(gòu)帶來(lái)的水平地震力= 266.13kN。

(4)第i號(hào)墩墩頂板式橡膠支座頂面處總水平地震力=332.7kN。

結(jié)合上述計(jì)算結(jié)果，即可求得S橋在E1地震作用下的橋墩內(nèi)力，其中剪力V、彎矩M分別為166.4kN與1979.6kN·m[5]。

2.6 計(jì)算方法優(yōu)選

為明確單振型反應(yīng)譜方法的應(yīng)用效果，選擇了多振型反應(yīng)譜法開(kāi)展同類計(jì)算開(kāi)展計(jì)算方法優(yōu)選，優(yōu)選過(guò)程的多振型反應(yīng)譜法計(jì)算采用了Midas/Civil軟件，采用墩底固結(jié)作為邊界條件，同樣忽略地基變形，因此可得出橋墩內(nèi)力的剪力V、彎矩M分別為173.14kN與2138.99kN，表2為計(jì)算方法優(yōu)選比較結(jié)果。

表2 計(jì)算方法優(yōu)選比較結(jié)果

結(jié)合表2開(kāi)展分析不難發(fā)現(xiàn)，兩種計(jì)算方法存在一定差異，這種差異主要源于動(dòng)力學(xué)方程不同，而由于二者計(jì)算結(jié)果相差不大，考慮到單振型反應(yīng)譜方法的應(yīng)用較為簡(jiǎn)單，因此認(rèn)為該方法具備更好的有效性和實(shí)用性。

2.7 橋墩配筋

在E1地震作用下，S橋梁主體處于彈性工作狀態(tài)，這使得基本不會(huì)出現(xiàn)損傷，而作為典型的橋梁強(qiáng)度薄弱部位，橋墩潛在塑性鉸區(qū)的抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算需得到重點(diǎn)關(guān)注。S橋原設(shè)計(jì)采用了80根Φ25的HRB335鋼筋用于縱向受力，配筋率為2.0%，采用了間距100mm、8肢12的HRB335鋼筋作為箍筋，但數(shù)量較多的鋼筋和箍筋可能導(dǎo)致施工困難，因此設(shè)計(jì)人員可結(jié)合上述抗震設(shè)計(jì)采用高強(qiáng)度鋼筋作為受力縱筋，如HRB400、HRB500，由此即可更好保證S橋梁的抗震性能并方便施工順利進(jìn)行。

3 結(jié)論

綜上所述，高烈度區(qū)裝配式規(guī)則橋梁抗震計(jì)算方法具備較高實(shí)用性，在此基礎(chǔ)上，本文涉及的計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)、地震作用、基本周期及反應(yīng)譜值、橋墩內(nèi)力、計(jì)算方法優(yōu)選等內(nèi)容，則提供了可行性較高的橋梁抗震計(jì)算方法，而為了進(jìn)一步提高計(jì)算準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化單振型反應(yīng)譜法的合理應(yīng)用必須得到重視。