基于非線性時(shí)程分析法的高墩橋梁支座選型研究

基于非線性時(shí)程分析法的高墩橋梁支座選型研究

1網(wǎng)絡(luò)連接單元1.1橡膠連接橡膠支撐是由多層薄橡膠片和鋼板重疊而成的。支座平面形狀多為圓形或矩形。板式橡膠支座可用線性彈簧連接單元模擬。1.2彈簧應(yīng)力場模擬聚四氟乙烯滑板支座是聚四氟乙烯滑板式橡膠支座的簡稱,主要由板式橡膠支座和聚四氟乙烯滑板疊合而成,其動力滯回曲線類似于理想彈塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,可用雙線性理想彈塑性彈簧連接單元模擬。1.3橡膠固定固定盆式橡膠支座可以當(dāng)作具有三向約束的鉸,約束連接點(diǎn)之間的平動位移和豎向位移。1.4臨界滑動摩擦力活動盆式橡膠支座又分為單向活動盆式橡膠支座和雙向活動盆式橡膠支座。在活動方向,活動盆式橡膠支座的臨界滑動摩擦力Fmax=μdN。式中:μd為滑動摩擦系數(shù),根據(jù)《公路橋梁盆式橡膠支座》(JT391),取0.05進(jìn)行分析計(jì)算;N為支座所承擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)重力。1.5入鉛芯，成鉛芯鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座的基礎(chǔ)上插入鉛芯而制成的。大量動力性能試驗(yàn)表明,鉛芯橡膠支座的滯回曲線呈雙線性,可采用雙線性恢復(fù)力模式進(jìn)行地震反應(yīng)分析。2纖維塑性鉸彈塑性梁單元的確定在采用“89規(guī)范”進(jìn)行橋梁抗震分析時(shí),對于橋墩,通常的做法是采用經(jīng)典的歐拉空間梁柱單元模擬,也可采用基于Timoshenko梁理論的能夠考慮剪切變形影響的梁單元來模擬。這兩種單元只能計(jì)算橋墩在地震作用下的彈性反應(yīng),而不能反應(yīng)橋墩的延性行為。當(dāng)需要進(jìn)行橋梁抗震非線性分析時(shí),有兩種較成熟的彈塑性梁單元可以采用:一種是沿單元長度積分的彈塑性纖維梁單元,這種單元可以模擬受力過程中沿桿長方向截面剛度的連續(xù)變化;另一種是考慮塑性鉸長度的纖維塑性鉸彈塑性梁單元,即認(rèn)為單元的塑性變形集中在一定長度范圍的塑性鉸上,與彈塑性纖維梁單元相比,是一種比較簡單且有很好精度的模型。“征求意見稿”采用纖維塑性鉸彈塑性梁單元進(jìn)行橋梁的非線性分析,并給出了塑性鉸特性的計(jì)算公式。根據(jù)“征求意見稿”,其抗震設(shè)防目標(biāo)是:當(dāng)遭遇橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生概率較高的地震影響E1時(shí),各類橋梁一般不受損壞或不需要修復(fù)可繼續(xù)使用;當(dāng)遭受橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)發(fā)生概率較低的地震影響E2時(shí),A類橋梁一般不受損壞或不需要修復(fù)可繼續(xù)使用,B、C類橋梁應(yīng)保證不致倒塌或不產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷,經(jīng)加固修復(fù)后仍可繼續(xù)使用。因此,本文在進(jìn)行地震影響E1作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析時(shí),采用彈性的空間梁柱單元;在進(jìn)行地震影響E2作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析時(shí),根據(jù)CALTRANS(V1.2)規(guī)范,橋墩潛在開裂破壞部位采用有效截面慣性矩,并在墩底設(shè)置具有一定塑性鉸長度的纖維塑性鉸梁單元,橋墩其他部位采用彈性的空間梁柱單元。本文取墩底H/5長度段為潛在塑性鉸區(qū)域,H為墩高,塑性鉸單元長度取H/5。橋墩截面的P-M-ue001φ曲線采用UCFyber程序進(jìn)行分析。UCFyber是美國加州大學(xué)Berkeley分校開發(fā)的專門從事截面恢復(fù)力特性計(jì)算的專用程序,其混凝土應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系采用Mander模型,混凝土和鋼筋的恢復(fù)力模型均為曲線,計(jì)算過程中對曲線進(jìn)行全過程跟蹤。橋墩的有效截面慣性矩和塑性鉸特性均從截面的P-M-ue001φ曲線得到。3設(shè)計(jì)加速度時(shí)程波的計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)隨地震動輸入的變化,可能會有很大的差異,因此采用合適的地震動時(shí)程進(jìn)行分析是非常重要的。根據(jù)“征求意見稿”的規(guī)定:未做過地震安全性評價(jià)的橋址,可根據(jù)設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜,按隨機(jī)合成方法生成設(shè)計(jì)加速度時(shí)程;為了考慮地震動的隨機(jī)性,每組設(shè)計(jì)加速度時(shí)程至少要有3條,且要保證任意二時(shí)程間的相關(guān)系數(shù)小于0.1;在設(shè)計(jì)地震E1作用下,可采用線性時(shí)程分析方法進(jìn)行抗震計(jì)算,時(shí)程分析結(jié)果應(yīng)不小于反應(yīng)譜法或功率譜法結(jié)果的80%。這里選用“征求意見稿”中的Ⅱ類場地3區(qū),結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05的設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜(使用時(shí)給出了下限),委托四川省地震局按隨機(jī)合成方法生成了3條設(shè)計(jì)加速度時(shí)程,峰值加速度為0.15g,見圖1所示。為了檢驗(yàn)這3條時(shí)程波的適用性,這里選取四川省雅安～瀘沽高速公路上的一座4跨一聯(lián)的結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)的橋梁進(jìn)行分析比較。橋梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑為40m,上部結(jié)構(gòu)采用裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁,下部結(jié)構(gòu)采用獨(dú)柱式空心薄壁墩和T形預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁,基礎(chǔ)采用挖孔嵌巖樁,支座采用板式橡膠支座和四氟滑板支座。橋墩高度均為40m,蓋梁高度為3m,簡支T梁高度為2.5m,橋面寬12.25m,兩岸設(shè)置橋臺。蓋梁上共設(shè)兩排板式橡膠支座,每排5個,板式橡膠支座的規(guī)格為350mm×450mm×57mm,單個支座的剪切剛度為3500kN/m;每個橋臺上設(shè)置5個四氟滑板支座,線性計(jì)算時(shí)不考慮其摩擦作用,認(rèn)為連接點(diǎn)之間縱向無約束。計(jì)算模型見圖2。橋墩截面和配筋見圖3。截面順橋向高300cm,上、下緣外側(cè)鋼筋均為22ue001φ25。在計(jì)算模型中,為了研究問題的方便,認(rèn)為橋墩在墩底固結(jié),以一固結(jié)節(jié)點(diǎn)模擬橋臺。主梁采用單梁模式,每跨重9200kN。蓋梁以一集中質(zhì)量代替,每個重1630kN;蓋梁和橋臺在橫向均設(shè)置擋塊,這里認(rèn)為主梁在橫向被卡住,即對連接點(diǎn)采用橫向的主從約束。利用MIDASCivil程序,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震E1作用下的分析計(jì)算,反應(yīng)譜法和線性時(shí)程分析法計(jì)算的縱橋向結(jié)果見表1。由于各橋墩順橋向的地震反應(yīng)非常接近,因此這里只給出中墩的計(jì)算結(jié)果。從表1可以看出,采用線性時(shí)程分析法計(jì)算的結(jié)果與反應(yīng)譜法計(jì)算的結(jié)果十分接近,相對誤差不超過10%,因此可利用這3條設(shè)計(jì)加速度時(shí)程來進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算。4橋臺段板式橡膠合成方案為了比較板式橡膠支座、盆式橡膠支座、四氟滑板支座、鉛芯橡膠支座對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,這里采用上述橋梁,進(jìn)行了非線性時(shí)程地震反應(yīng)分析。首先利用UCFyber程序?qū)Χ盏捉孛孢M(jìn)行分析,得到截面在恒載軸力作用下縱橋向的M-ue001φ曲線,見圖4。墩底截面在恒載軸力為15800kN作用下,其縱橋向的有效屈服曲率為1.136×10-3(1/m),有效屈服彎矩為50180kN·m,極限曲率為15.45×10-3(1/m),截面的超強(qiáng)系數(shù)為1.001。根據(jù)“征求意見稿”,等效的塑性鉸長度取0.5m,塑性鉸區(qū)的最大容許轉(zhuǎn)角為3.58×10-3rad。為了比較上述幾種支座對橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,這里設(shè)計(jì)了4種支座布置方案:方案①,是在橋臺處設(shè)置四氟滑板支座,在橋墩處設(shè)置板式橡膠支座,這是高速公路上最常見的一種支座布置方案;方案②,是在橋臺和橋墩處均設(shè)置板式橡膠支座;方案③,是在橋臺處設(shè)置四氟滑板支座,在橋墩處設(shè)置鉛芯橡膠支座;方案④,是在橋臺處設(shè)置活動盆式橡膠支座,在橋墩處設(shè)置固定盆式橡膠支座,這種布置在簡支T梁上不常見,多用于連續(xù)橋梁。根據(jù)“征求意見稿”,利用MIDASCivil程序?qū)蛄航Y(jié)構(gòu)在地震E2作用下的反應(yīng),進(jìn)行非線性時(shí)程分析,3條時(shí)程計(jì)算的最大值的平均值見表2。由于各橋墩順橋向的地震反應(yīng)非常接近,因此這里只給出中墩的計(jì)算結(jié)果。從表2可以得到如下結(jié)論。(1)采用方案①、③、④時(shí),周期長,梁體位移大,一般設(shè)計(jì)的伸縮縫難以滿足抗震要求,因此對于地震區(qū)的高墩橋梁,如果在橋臺處設(shè)置四氟滑板支座或者活動盆式橡膠支座,那么需要考慮地震作用下主梁與橋臺的碰撞作用,并且應(yīng)設(shè)置必要的防碰撞落梁裝置,如在橋臺處設(shè)置“碰即脫”裝置以保護(hù)主梁或在兩岸埋設(shè)松弛纜索對主梁進(jìn)行限位。(2)采用方案②時(shí),周期、梁體位移、墩頂支座變形、墩底內(nèi)力均較其他方案小,并且在地震動峰值加速度為0.20g時(shí),橋墩還能保持彈性,這主要是因?yàn)闃蚺_承擔(dān)了較大的水平地震力,但缺點(diǎn)是橋臺處支座變形在14cm以上,按照“89規(guī)范”或“征求意見稿”,要求橡膠層總厚度也應(yīng)在14cm以上,這樣板式橡膠支座的厚度就不小于18cm,支座尺寸偏大。(3)采用方案①和方案③時(shí),在地震動峰值加速度為0.15g的情況下,橋墩能保持彈性,在地震動峰值加速度為0.20g的情況下,墩底內(nèi)力較大,橋墩發(fā)生塑性變形,但塑性轉(zhuǎn)角比容許值稍大,增大縱向鋼筋直徑能滿足延性抗震設(shè)計(jì)要求;方案③的墩頂支座變形比方案①的小,而且鉛芯橡膠支座的剪切變形不超過1.5cm,減震耗能效果不顯著,這與矮墩橋梁的研究結(jié)果存在較大差別,因此,對于地震區(qū)的高墩橋梁,能夠采用板式橡膠支座進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),不宜采用鉛芯橡膠支座。(4)采用方案④時(shí),梁體位移、墩底剪力、墩底彎矩均比采用方案①和方案③時(shí)小,在地震動峰值加速度為0.15g的情況下,橋墩能保持彈性,在地震動峰值加速度為0.20g的情況下,橋墩發(fā)生塑性變形,但塑性轉(zhuǎn)角較小,且在容許范圍內(nèi),這是因?yàn)椴捎霉潭ㄅ枋较鹉z支座約束了墩、梁縱向的相對位移,提高了結(jié)構(gòu)的剛度,縮短了周期,使得梁體位移減小,墩頂?shù)乃轿灰埔蚕鄳?yīng)減小,從而使得塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)角減小。(5)對于西部地震區(qū)高墩橋梁,其抗震設(shè)計(jì)的思路與矮墩橋梁完全相反,前者應(yīng)努力提高結(jié)構(gòu)的剛度,減小梁體位移,抗震設(shè)計(jì)由位移控制;后者則相反,應(yīng)努力降低結(jié)構(gòu)的剛度,延長周期,減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力,抗震設(shè)計(jì)由內(nèi)力控制。從上面的分析結(jié)果可知,從抗震角度來考慮,西部地震區(qū)高墩橋梁支座的選型原則是盡量提高結(jié)構(gòu)的剛度,減小梁體位移和墩頂位移。5高墩橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)分析采用非線性時(shí)程分析方法,通過對西部地震區(qū)高墩橋梁支座的合理選型進(jìn)行研究,得出以下結(jié)論。(1)在橋臺處設(shè)置四氟滑板支座或活動盆式橡膠支座時(shí),地震作用下梁體位移較大,需要考慮地震作用下主梁與橋臺的碰撞作用,并且應(yīng)設(shè)置必要的防碰撞裝置。(2)在地震作用下,高墩橋梁上鉛芯橡膠支座的剪切變形小,減震耗能效果不顯著。(3)全部采用板式橡膠支座時(shí),雖然能夠顯著地減小橋墩的內(nèi)力反應(yīng)和梁體位移,但是橋臺處需設(shè)置大尺寸高厚度的板式橡膠支座。(4)在高墩處采用固定盆式橡膠支座,在橋臺處采用活動盆