山区PC箱梁桥墩柱抗震性能加固研究.pdf

文章编号:():./.山区 箱梁桥墩柱抗震性能加固研究赵汗军(山西交科公路勘察设计院有限公司 太原市)摘 要:为提升山区梁桥墩柱抗震性能文章依托一座双柱式高墩预应力混凝土连续箱梁桥(箱梁桥)利用 有限元软件建立结构弹塑性分析模型和 推倒分析模型分析同联内不同墩高差与不同墩柱配筋率对结构抗震性能的影响并提出相应的措施及建议 研究结果表明:同一联内墩高相差过大将极大增加同一联内各墩柱地震动响应分布的不均匀性矮墩将承受更大的剪力可能发生剪切脆性破坏不符合桥梁抗震延性设计要求双柱式桥墩塑性铰区易出现在墩顶、墩底和系梁处适当提高墩柱塑性铰区配筋率可以提升墩柱的抗力和延性 该工程墩柱配筋率取.墩高差取 时结构抗震效果良好 关键词:山区桥梁桥梁墩柱抗震分析 推倒分析中图分类号:.文献标识码:引言由于山区复杂地形条件限制山区桥梁墩高和墩高差较一般桥梁需求更高 根据相关调研结果墩高 以上的桥梁占比超过 然而我国许多山区桥梁处于地震活跃带地震烈度高地震动作用影响使得高墩桥梁位移响应需求更大结构间的碰撞效应、落梁风险也相应增加 年汶川发生.级大地震山区桥梁大面积损伤破坏不仅延缓抗震救援进度更严重威胁人民生命财产安全 因此文章依托某山区桥梁分析同联内不同墩高差与不同墩柱配筋率对结构抗震性能的影响以期为类似工程提供参考 高墩桥梁抗震设计山区高墩桥梁的抗震设计主要包括桥型整体设计、桥梁位置选择、桥墩构造选型和设计等环节公路桥梁抗震设计规范(/)(以下简称“规范”)规定桥梁抗震体系应有稳定可靠的传力路径、合理的能量耗散部位以及明确可靠的位移约束除此之外还应该有效避免因个别构件的破坏而导致整体结构倒塌 鉴于山区高墩梁桥桥墩高、位移响应大、碰撞效应明显等地震动反应特点山区梁桥结构抗震性能提升设计除应注意桥梁选址、上下部结构形式及其连接方式、耗能部位选择等总体设计外还应注意控制墩顶位移量和下部桥墩之间的刚度平衡防止矮墩剪切力过大发生脆性破坏以及主梁与墩柱之间位移差过大而破坏落梁等情况发生 根据相关研究 及规范第.条以抗震合理概念设计原则出发编制如图 所示研究技术路线图在此以墩柱参数为例展开研究图 研究技术路线图 计算模型基础条件研究依托的工程案例为西部山区某梁桥 采用 模拟软件分析方法为反应谱法和弹塑性时程分析法.工程概况依托工程是荷载等级为一级的公路桥主梁为 年 第 期 北方交通连续箱梁支座为普通盆式橡胶支座桥墩为双柱式方形桥墩基础为桩基础主梁内预应力钢束为 型钢绞线 工程 模型图如图 所示其中方形墩尺寸为.墩高随地形变化较大系梁随墩高每隔 一布置 支座布置示意图见图 图 依托工程 模型图图 支座布置示意图.计算方法与设计反应谱文章分别采用反应谱法、推倒分析和弹塑性时程分析法分析依托工程在不同墩高差和不同墩柱配筋率下结构的抗震性能 根据规范第.条和.条规定该桥属于规则桥梁 地震作用下可以采用 法或 法分析计算 为了更加准确地预测和研究结构的地震行为文章还采用了非线性时程分析法 根据设计资料参数计算模型的 反应谱如图 所示图 设计反应谱值.模拟方法根据结构设计参数以及规范第.条对结构建模原则的建议和抗震概念设计要求墩柱和梁体均采用空间杆系单元建模墩柱约束考虑为固结支座采用滞后系统模拟 墩柱纵向钢筋布置及纤维分割如图 所示图 墩柱纵向钢筋布置及纤维分割图.工况设定墩柱配筋率按照规范第.条建议设定墩高差根据地形趋势设定墩柱配筋率和墩高差工况设定见表 表 工况类型及设定工况类型工况一工况二工况三工况四纵筋根数/根墩高差/注:墩高差指边墩与中墩的差值(对称布置)纵筋根数指单侧钢筋数直径为 不同墩高差结果分析结构在水平双向 反应谱下的剪力结构反应见图 图中桥墩从左至右依次编号为 反应谱荷载工况荷载组合取为:一期恒载 二期恒载 预应力 反应谱荷载()图 展示了边中墩墩高差为 时各墩柱之间的剪力分布 具体结果见表 图 工况三墩柱剪力分布图北方交通 年 第 期表 各工况剪力分配表单位:工况墩墩墩墩工况一纵向工况二工况三工况一横向工况二工况三 由图 和表 可知随着边中墩墩高差增加相比于高墩矮墩的高剪力分配值更加明显 根据表墩高差从 提升至 时矮墩纵向剪力值从 提升至 提升幅度达.反应谱下墩柱的位移响应情况如图 和表所示图 工况三墩柱纵向位移分布图表 各工况墩柱位移分布情况表单位:工况墩墩墩墩工况一纵向工况二工况三 由图 和表 可知随着边中墩墩高差增加地震作用下位移在联内各墩分布的不均匀性也会增加 计算显示墩高差为 时边中墩位移差值为 墩高差为 时边中墩位移差值则增加到 综上可知同一联内墩高差不易过大否则将极大增加结构纵、横向刚度分布的不均匀性矮墩承受过大水平荷载高墩产生较大位移变形影响结构的整体抗震性能 如受山区地势差距过大等条件因素限制宜采用橡胶支座等合理的支座类型调节各墩之间的刚度差距 不同墩柱配筋率结果分析基于反应谱下的不同墩高差分析考虑地形条件限制采用不同墩高差工况进行不同配筋率影响计算分析.地震波选取根据所在场地类型选取地震波特征周期 为.持续时间为.的 ()地震波并按:.双水平向输入经峰值调整后的纵向加速度波形如图 所示图 ()地震波.单墩推倒分析恒载作用获得 墩单侧支座反力为 后利用 软件的 模块建立如图 所示推倒模型图 单墩推倒模型分析结果显示从工况一至工况四即纵筋配筋率从.达到.时墩的屈服弯矩由 增加至 同时极限曲率也相应增加 但在单侧根数减少至 根及以下时会出现类似梁的“少筋”现象 可见适当增加墩柱的纵向钢筋配筋率可以提升结构抗弯承载力和极限曲率 文章选择在单侧纵筋数量 根配筋率为 的情况下进行时程分析 经过三次迭代 结果显示工况二配筋率下的横向极限曲率为./墩顶的容许位移为.横向屈服弯矩稳定在 左右.时程分析实测地震波作用下各墩墩底弯矩响应值详见表 表 工况二下各墩墩底弯矩响应值单位:墩墩墩墩弯矩 由表 可知墩因一侧支座固结在地震波作用下表现出较大的弯矩响应值但各墩墩高差距不大因此墩柱刚度差距不大最大弯矩差值未超过 年 第 期 赵汗军:山区 箱梁桥墩柱抗震性能加固研究符合抗震设计要求文章选取 一侧支座固定墩作为控制截面进行阐述分析.桥墩墩顶位移响应结果墩墩顶位移时程图如图 图 墩墩顶位移时程图由图 可知不考虑桥台或相邻联之间的纵向约束作用时直线梁桥墩顶的纵向位移比横向位移响应更大达到了 由此得出高烈度地区桥梁遭遇地震时直桥梁端易发生碰撞效应同时可能存在落梁风险应提前采取减隔震措施 横向最大位移响应仅为未超过墩顶容许位移 总体而言墩柱配筋率在.时结构位移响应控制良好.桥墩墩顶及墩底弯矩响应结果墩墩底弯矩 曲率响应值见图 图 墩墩底弯矩 曲率响应值图 中墩纵向弯曲曲率响应与横向数值接近纵向略高最大值达到了./但小于单墩推倒分析得到的横向极限曲率值其值为/墩横向弯矩响应为 未达到 单 墩 推 倒 分 析 时 的 首 次 屈 服 弯 矩 更未达到屈服弯矩 可见墩柱配筋率在.时墩柱损伤轻微抗震效果良好.桥墩墩顶、墩底纤维截面分析结果墩顶(左)、墩底(右)纤维截面分析结果见图图 墩顶(左)、墩底(右)纤维截面分析结果图 中浅色区域代表开裂深色区域代表弹性 可见在设计地震荷载作用下桥墩墩底截面将大面积开裂塑性状态表现明显但均未达到钢筋屈服强度综合图 图 计算结果边中墩墩高差为配筋率为.时符合规范规定配筋率介于.的要求结构桥墩地震动响应均不会超越位移、曲率限值结构抗震性能良好 根据其他工况配筋率下的时程分析结果可以发现该工程配筋率介于 结构的抗震性能表现良好 结论()进行抗震设计时联与联之间的刚度比不宜过大同一联内桥墩墩高差也不宜设置过大否则将导致墩柱间刚度不均匀进而影响结构抗震性能研究结果显示矮墩剪力响应大高墩位移响应大若受现实条件约束应选择合理支座类型以调节各墩间的刚度差距()墩柱配筋率直接影响材料的本构关系 适当提高配筋率可以提升墩柱的抗弯承载力和极限曲率等抗震性能 研究依托工程取配筋率为.时桥梁结构表现出良好的抗震性能同时符合规范规定的配筋率介于.的要求()墩柱弹塑性纤维时程分析结果表明固定墩的墩顶、墩底和系梁与墩柱节点处易进入弹塑性状态因此为满足结构地震动强度和延性需求建议对塑性铰区进行箍筋加密处理参考文献 刘文华黎立新.山区高墩桥梁抗震设计.公路():.周科冷艳玲.汶川地震桥梁损毁分析及公路桥梁抗震设计初北方交通 年 第 期探.公路交通科技(应用技术版)():.王东升孙治国郭迅等.汶川地震桥梁震害经验及抗震研究若干新进展.公路交通科技():.中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计规范:/.北京:人民交通出版社股份有限公司.王岩.山区高墩桥梁抗震概念设计探讨.公路交通科技(应用技术版)():.杨沪湘许航.高烈度地震山区桥梁抗震设计研究.公路():.贺玉娥.高墩桥梁抗震设计.黑龙江交通科技():.胡绘新郑凯锋杨平.山区公路桥梁桥墩抗震性能的弹塑性分析.公路交通科技(应用技术版)():.凌广.非规则高墩桥梁的抗震研究分析.市政技术():.(.)().:.(上接第 页).年 第 期 赵汗军:山区 箱梁桥墩柱抗震性能加固研究