高墩系梁设置对桥墩横向地震响应的影响

2021-04-08 02:06邢洪扬张永旺
城市道桥与防洪 2021年3期
关键词:系梁横桥内力

邢洪扬,张永旺

(徐州市交通规划设计研究院,江苏徐州 221006)

0 引 言

在结构地震响应分析中发现,中系梁会改变结构的低阶振型;地系梁起到类似承台的作用,改变了横向地震作用下的失稳模态。这是由于墩柱受到系梁的约束,横桥向墩柱的长细比变小,整体刚度增加,抵御面内失稳能力提高。从这个角度讲,系梁的设置高度还可以做些优化,添加系梁后对桥墩抗震性能有所提高。不过系梁与墩交接处是桥墩竖向刚度变化的点,地震中容易引起破坏,设计中应引起足够重视。我国《公路桥梁抗震设计细则》中提到,在8度区的抗震措施要满足,高度大于7 m 的柱式桥墩和排架桩墩应设置横系梁,但未指出高度大于7 m的柱子需要设置几根系梁及设置位置。本文围绕算例桥桥墩为15 m 和30 m,已设置了地系梁,对是否设置中系梁以及设置在哪个位置最优进行了探讨,得到的结论可供工程实践参考。

1 高墩双柱式桥墩地震响应分析

1.1 算例桥介绍

本文研究的对象位于江苏省徐州市344 省道新沂段毛林特大桥的引桥。由于桥址处地震烈度较高,且桥位处受采砂影响桥墩较高,所以在地震作用下,下部结构很容易破坏,特别是横桥向刚度较低,最容易发生横向桥墩破坏。取其中一联6×30 m 组合连续箱梁计算分析,桥面全宽12.75 m;下部结构采用双柱式墩,桩基础,墩高为15 m,柱径取1.4 m,桩径取1.5 m;柱底设置1 道地系梁,系梁高1.2 m,宽1.0 m。两边墩设置滑板式橡胶支座,中间5 个墩顶设置固定板式橡胶支座。

拟建桥梁位于我国著名的活动断裂带——郯庐断裂带内。据有关资料,该断裂莒南-宿迁至今活动性较强,场地稳定性较差。根据该大桥工程场地地震安全性评价报告,判定本地区地震动峰值加速度为0.3g,桥梁按 9 度设防。

1.2 有限元模型建立

本文采用SAP2000 空间结构分析与设计程序进行抗震分析。主梁、桥墩、盖梁和桥墩系梁均采用空间梁单元进行模拟,滑板式橡胶支座和固定板式橡胶支座按实际位置、采用连接单元模拟,桩-土相互作用采用单点弹簧单元模拟土弹簧[1],桥面系的质量通过附加质量单元进行考虑。根据结构的实际布置情况,将其离散成空间有限元模型,全桥动力计算模型见图1。

图1 无中系梁动力计算模型

对全桥进行地震响应分析,着重对是否设置中系梁以及设置在哪个位置最优进行了探讨,为设计师提供参考。本文是按中系梁中心到墩顶的距离H 分多种情况进行分析。

1.3 动力特性分析

自由振动是指结构在没有外来干扰作用时,初位移、初速度或两者共同作用引起的振动。自振特性是自由振动时结构的周期或频率及振型,它反映结构自身动力特性,是进行动力分析的基础[2]。

根据中系梁中心到墩顶的距离H 不同分别建立15 m 和30 m 的动力计算模型,对比各结构动力特性。因为系梁主要是对横向模态影响较大,所以本文仅对横桥向动力特性进行讨论。表1 列出了15 m 墩高的6 种情况结构前十阶振型中横向动力特性下的自振频率;表2 列出了30 m 墩高8 种情况结构前十阶振型中横向动力特性下的自振频率。

表1 15 m 墩高动力特性分析

由表1、表2 可知,桥墩设置中系梁后,结构横桥向对应振型的自振频率均有所增加,且随着中系梁设置位置的降低,对应振型的频率出现先增大后减小的规律。这表明设置中系梁使结构横桥向刚度增大,横桥向自振频率增大,当中系梁设置在墩柱中心时,结构横桥向刚度最大。

表2 30 m 墩高动力特性分析

1.4 地震响应分析

依据《公路桥梁抗震设计细则》和工程场地地震安全性评价报告,设计规范反应谱曲线(见图2),采用横桥向输入。本算例桥通过E2 阶段该桥的横向变形和关键截面的内力,来分析高烈度区桥墩较高时中系梁对桥墩横向的抗震性能影响。本文首先分析中系梁位置变化对桥墩关键截面的内力影响。图3为桥墩关键截面位置图。表3、表4 列出了各关键截面内力。

图2 设计加速度反应谱

图3 桥墩关键截面位置

表3 15 m 桥墩各关键截面内力 单位:kN·m

表3、表4 分别列出了不同工况、地震作用下3号墩处控制截面的弯矩计算结果。可以看出:设置桥墩中系梁后,结构的控制截面增多。随着中系梁设置位置的下降,上柱两端地震弯矩逐渐增大;下柱两端地震弯矩逐渐减小,中系梁端部的弯矩先增大后减小,以设置在墩柱中心附近最大,地系梁端部的弯矩逐渐减小。出现这种规律的原因是桥墩系梁将盖梁—墩柱—系梁形成的框架体系一分为二,随着桥墩系梁的下降,上框架外形逐渐扩大,刚度增大,相关的地震响应量也逐渐增大;同时,下框架外形逐渐缩小,刚度降低,相关的地震响应量逐渐减小。

表4 30 m 桥墩各关键截面内力 单位:kN·m

《公路桥梁抗震设计细则》规定,在E2 地震作用下,延性构件的有效截面抗弯刚度按式(1)计算,未进入延性的构件截面刚度仍按毛截面计算刚度。通过非线性纤维截面有限元分析方法,来获得桥墩关键截面的弯矩–曲率曲线,其中混凝土的本构关系采用Mander 模型,钢筋的本构关系采用考虑硬化的弹塑性本构模型。桥墩纤维截面弯矩–曲率曲线见图4。

式中:EC为桥墩的弹性模量,kN·m2;Ieff为桥墩有效截面抗弯惯性矩,m4;My为屈服弯矩,kN·m,本截面My=4 531(kN·m);φy为等效屈服曲率,1/m,本截面φy=2.362×10-3。

在计算结构位移时,本文按抗震细则把表3、表4 中桥墩截面大于屈服弯矩的截面按式(1)计算截面刚度进行设置,再计算结构位移。盖梁梁端横向位移见表5、表6。

图4 桥墩纤维截面弯矩曲率

表5、表6 列出了不同工况下3 号墩处盖梁顶横桥向位移值的计算结果。可以看出:设置桥墩系梁后,横桥向位移值有所减小; 随着系梁设置高度的降低,横桥向位移值呈现出先减小后增大的规律,其中以系梁设置在桥墩中心偏下时,横桥向位移值最小。出现这种规律的原因与自振周期变化的原因相同。

表5 15 m 墩高盖梁横向位移

表6 30 m 墩高盖梁横向位移

2 结 语

通过对高墩结构在强震E2 地震作用下的内力和位移分析,得到如下结论:

(1)中系梁设置能增大结构的自振频率,其中设置在桥墩中心时,频率最大,刚度最大。

(2)中系梁设置在桥墩中心偏下时,上、下墩柱弯矩最接近,且弯矩较小,受力性能最好,截面配筋最少。

(3)中系梁设置在桥墩中心偏下时,盖梁端横向位移最小,强震下墩柱抗震性能最好。

(4)由系梁内力值可知,系梁在地震作用下内力较大,容易产生塑性变形,能消耗一部分地震能量,来改善墩柱的受力,减少墩柱、桩基配筋。

(5)由表1 至表6 可知,当桥墩高度超过15 m时,中系梁的设置能显著减小桥墩的横向地震作用,因此在高烈度区高墩应设置中系梁。

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