高墩大跨径连续钢构桥梁结构抗震设计分析

2017-03-24 12:54李德海
建材发展导向 2017年1期
关键词:抗震设计高墩

李德海

摘 要:随着我国交通事业的发展,高墩大跨径连续钢构桥梁在交通道路建设中运用的越来越多,尤其是我国西南、西北地区,盘山公路等已经不能满足经济发展需要。但由于地形较为复杂,在道路建设中多采用桥梁,再加上山区为地震多发地带,因而对桥梁设计要求极为严格。高墩大跨径连续钢构桥梁结构的设计具有良好抗震能力,分析其抗震设计,对于其完善与发展具有重要意义。

关键词:高墩;大跨径:连续钢构梁;抗震设计

1 高墩大跨径连续钢构桥简介

钢构桥结构较为特殊,是将墩台与主梁整体固结。其承担竖向荷载时,主梁通过产生负弯矩减少跨中正弯矩。桥墩作为钢构桥的主体部分,主要承担水平推力、压力以及弯矩三种力。墩梁固结形式较为特殊,可通过节省抗震支座减少桥墩厚度,借助悬臂施工从而省去体系转换,减少了施工工序。该结构可保持连续梁无伸缩缝,使行车平顺。此外还具有无需设置支座和体系转换功能,桥梁结构在顺桥向和横桥向分别具有抗弯和抗扭刚度,为施工提供具有便利。高墩大跨径连续钢构桥形式优缺点并存,其缺点在于受混凝土收缩、墩台沉陷等因素影响,结构中可产生附加内力。作为高柔性墩,可允许其上部存在横向变位。其优点在于弱化墩台沉降所产生的内力,并减轻其对结构的影响。

其突出受力结构表现为桥墩与桥梁固结为整体,通过共同承受荷载进而较少负弯矩;该桥梁结构受力合理,抗震与抗扭能力强,具有整体性好,桥型流畅等优点。作为高柔性桥墩,可允许桥墩纵横向存在合理变位。

2 桥梁震害的具体表现

2.1 支座

在地震中支座损坏极为常见,支座遭到破坏后能够改变力的传递,进而影响桥梁其它结构的抗震能力,其主要破坏形式有移位、剪断以及支座脱落等。

2.2 上部结构

上部结构遭受震害主要是移位,即纵向、横向发生移位。移位部位通常位于伸缩缝处,具体表现为梁间开脱、落梁、顶撞等。有资料显示,顺桥向落梁在总数中所占比例高达90%,由于这种落梁方式会撞击到桥墩侧壁,对下部结构造成巨大冲击力,因而破坏力极大。

2.3 下部结构

桥梁的下部包含基础、桥墩以及桥台,其遭受破坏后可导致桥梁坍塌,且震后修复难度大,基本不能再投入使用。受水平力影响,薄弱的截面经过反复震动后受到严重破坏。延性破坏多指长细的柔性墩,表现为混凝土开裂、塑性变形,其产生原因为焊接不牢、部件配设不足等。脆性破坏多指粗矮桥墩,表现为钢筋切断,究其原因为墩柱剪切强度不足。桥台多表现为滑移、颠覆。基础的破坏表现为不均匀沉陷、桩基剪切等,其破坏具有隐蔽性,修复难度极大。

3 桥梁震害原因

造成桥梁震害原因较多,主要有地震强度过大,超出桥梁的抗震设防标准;桥梁所处的地理位置不佳,致使地基变形;此外认为原因也可导致桥梁抗震能力不足,例如设计不合理,原材料质量不达标,施工出现操作失误等。

4 高墩大跨径连续钢构桥结构的抗震设计分析

4.1 重视高墩大跨径连续钢构桥的总体布置

地震时桥墩顶部位移较大,采用连续钢构结构有助于减少落梁。墩梁固结为整体,则多余的约束可形成塑性铰,从而提高桥梁的抗震能力。建设高墩桥时,受地理位置影响,易出现刚度和质量问题。合理调整相邻桥墩高度,对于连续梁桥,应尽可能保持其刚度相近,并根据桥墩刚度比与周期比进行严密计算,减少误差,增强高墩桥整体抗震能力。

4.2 选择合适桥墩

在地震中,桥墩形式影响桥梁结构,因而其设计与选型对于抗震安全性具有重要意义。地形与地貌均对桥墩设计产生影响,常见的桥墩形式有门架墩、双柱墩等,但抗弯与抗扭刚度较差,当桥墩超过30m时,易产生失稳现象。高墩大跨径连续钢构桥根据实际情况多采用空心薄壁墩(如图1、2所示)或者独柱T型墩,二者各个方向抗扭与抗弯刚度都较好,具有整体性好等优点。而独柱T型墩适用于高度低于60m时,其原理是将悬挑式盖梁与墩柱充分结合,其截面尺寸与刚度均较小。而心薄壁墩适用于高度低于80m时,外观与独柱T型墩相似,其截面尺寸与刚度均较大。

5 高墩大跨径连续钢构桥的抗震计算

5.1 计算时所需考虑的因素

通常受地形、断层、桥身长度限制,应考虑多点激励的影响。同一地震,其在地表所呈现的反应不同,因而幅值、频谱特征各异,再加上空间变化复杂,因而需考虑多方面因素。

地震时,受到高墩自身质量或周期影响,可形成两个及其以上塑性铰,而忽略高阶振型会导致设计时出现误差,从而影响桥梁抗震时安全性,因而在设计时应将桥墩高阶振型的影响计算在内。

5.2 反应谱方法

在桥梁抗震分析中,反应谱方法较为常用,但其弊端在于地震时假设支座运动规律相同,没有考虑运动的不一致性。对于处于地形复杂的高墩桥而言,这种不合理的假设造成非线性问题出现较大误差。

5.3 随机震动法

该方法是公认的较为合理方法,其结合地震发生的概率,但是计算量较大,同样也会使非线性问题出现误差。随着科技的发展,随机震动虚拟激励法应运而生,不仅解决计算量的问题,同时确保计算的精度,具有效率高,使用方便等优势,在高墩桥梁设计中应用广泛,但在处理罕见地震时存在局限。

6 高墩大跨径连续钢构桥抗震措施

6.1 重视桥墩台处档块设计

地震中抗震档块出现剪裂现象,表明其设计对于提高桥梁整体抗震能力具有重要作用。在设计过程中,应重视其余主梁刚度的比值、剪裂的程度,此外针对不同跨径与结构的桥梁,应根据实际需要设计不同尺寸的档块。

6.2 可对支座進行隔振处理

设计高墩桥梁时,可采用叠层、铅芯橡胶等隔震支座,在桥梁与桥墩的连接处增加柔性,从而降低对地震的反应。

综上所述,分析高墩大跨径连续钢构桥梁结构抗震设计,有助于完善桥梁总体设计,提高桥梁抗震能力,减少经济损失,并提高桥梁安全性。

参考文献

[1] 宗周红,夏坚,徐绰然.桥梁高墩抗震研究现状及展望[J].东南大学学报(自然科学版),2013(02):445-452.

[2] 王东升,岳茂光,李晓莉,等.高墩桥梁抗震时程分析输入地震波选择[J].土木工程学报,2013(S1):208-213.

[3] 何松涛.高墩大跨径桥梁在悬臂施工阶段刚构的非线性稳定分析[J].公路交通科技(应用技术版),2013(12):174-177.

[4] 卢皓,李建中.强震作用下高墩桥梁抗震性能特点分析[J].地震工程学报,2013(04):858-865.

[5] 许庆鹏,丁修玺.浅谈高墩桥梁抗震设计[J].科技创新导报,2012 (08):119.

[6] 陈明华.山区高墩桥梁抗震设计探析[J].技术与市场,2016(05):217.

猜你喜欢
抗震设计高墩
桥梁高墩抗震设计方法研究
浅谈丘陵区桥梁高墩施工测控系统应用
临近营业线双肢薄壁柔性高墩施工关键技术
高墩大跨度预应力渡槽在中部引黄工程中的应用
高速公路桥梁高墩施工技术
高层建筑结构抗震设计要点探析
关于建筑结构设计中的抗震设计探析
高层建筑结构抗震设计要点探析
楼梯间的抗震设计问题
高层建筑工程的抗震设计分析