不同结构条件下的桥梁伸缩缝隔震设计

不同结构条件下的桥梁伸缩缝隔震设计

作为桥梁的辅助部件，伸展间隙通常会忽视地震中该桥梁的性能。在美国的北岭和皮瑞塔地震中，伸展间隙的地震破坏最为突出，值得考虑。汶川大地震中的庙子坪大桥引桥（4×50m简支T梁）采用了橡胶支座，在设计之初并未考虑主梁之间在强震作用下的碰撞效应，地震发生后桥墩虽然没有受到损伤，但第5跨伸缩缝处因墩梁相对位移过大而落梁，由于主梁间的碰撞效应致使伸缩缝处扶手、护栏及隔离带破坏严重。1989年Loma地震，旧金山-奥克兰大桥由于没有充分认识到地震作用下主梁间的相对位移过大导致预留的支撑面不够而造成落梁的事故。日本是最早对伸缩缝处的主梁撞击震害进行研究的国家之一，早在1998年RobertJankowski等对考虑行波效应的隔震桥梁伸缩缝主梁处碰撞进行了数学建模并计算，得到在不同伸缩缝间隙的情况下的对比结果。其后，日本国内开始研发防止地震碰撞作用下顺桥向主梁脱落的机械装置。Felix.D等人于2007年对一座斜弯高架桥使用防落梁装置进行了分析计算。随着减隔震技术和理论在中国实际桥梁设计中的广泛应用，下部结构延性得到充分利用，隔震支座等装置充分发挥耗能作用。随之而来需要解决的就是上部结构的位移控制问题。如何正确认识和处理主梁间在地震作用下的相对位移以及可能发生的碰撞成为隔震设计的核心技术之一。JTG/TB02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》规定：为防止主梁撞击和落梁，构造上采取梁端与盖梁的搭接长度至少为70+0.5L(L为梁的计算跨径）mm、在梁端添加缓冲垫块、安装限位装置等措施。国内抗震设计一般在桥墩、桥台处设置横、纵向橡胶垫防震挡块，但是均为构造性措施，国内规范没有条文对挡块配筋及构造设计进行规定。该文以乌鲁木齐绕城高速公路某隔震桥梁为例，对伸缩缝的间隙量大小变化在不同地震等级下对碰撞效应的影响进行分析和研究，试图得出撞击力大小和关键控制因素，同时分析强震下不同计算方法对构件内力及配筋的影响，相关研究结果可供工程技术人员进行桥梁构件细部设计参考。1线路技术和结构乌鲁木齐绕城高速公路为国家高速公路网的重要组成部分，计算模型选取该项目某特大桥左幅第五联至第八联，其上部结构为装配式先简支后连续预制预应力混凝土连续T梁，跨径组成为4×50+4×50+4×50+4×50m，全长800m。单幅桥宽16.65m，桥面净宽15.65m。下部结构16#～32#桥墩均采用薄壁墩，17#～19#墩采用墩梁固结（平均墩高60～70m），其余均采用高阻尼橡胶隔震支座。左幅16#、20#、24#、28#、32#为过渡墩设置伸缩缝。路线所处场地地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度为Ⅷ度，场地类型为Ⅱ类。桥墩截面及墩高见表1（限于篇幅仅列出平均墩高），其中Ⅰ、Ⅱ类截面尺寸分别为9.35m×4.5m、9.35m×3.5m。2橡胶抗强震设计使用SAP2000对桥梁进行动力非线性时程分析计算。计算方法采用Hiber-Huges-Taylor直接积分法计算。上部结构采用鱼骨式分布质量模型，下部桩基础根据地质资料采用m法考虑基础-土效应。对于高阻尼橡胶支座的计算模型，该文采用PlasticWen滞回模型描述支座地震时的力学响应。伸缩缝处使用美国加州交通部（Caltrans）推荐的Gap单元模拟过渡墩处在强震发生时可能产生的主梁碰撞效应，根据文献取k=8.58×106kN/m,Gap单元构造以及其在伸缩缝处的使用分别见图1。31#、32#桥墩墩高分别为35.5、36.5m，这四联中这两个墩高最低，强震时将分担较大的地震力，故E2地震下在墩底设置塑性铰。该文分别对采取Mander核心混凝土的本构和Caltrans的P-M2-M3纤维铰进行了对比。取一、二期恒载作用下的轴力35000kN,32#桥墩的弯矩-曲率如图2所示。3地震动结果分析根据文献推荐的地震输入，采用CENTURYCITY,LomaOAKLAND35°，LosAngelesNewHall三条地震动记录，其反应谱见图3，其动峰值加速度分别为212、280、572cm/s2。为了对比碰撞效应，该文分别计算了顺桥向采用不同间隙量的伸缩缝过渡墩处可能发生的撞击情况（δ代表伸缩缝的间隙量，单位cm）。同时对于采用不同纤维塑性铰对于31#、32#墩底的地震力反应进行了比较。计算结果见图4～15。4自振周期ta/tb比从上面大量的计算数据发现，梁端在地震时的碰撞与伸缩缝的间隙有密切联系，但单一地增大伸缩缝的间隙，并不能彻底解决问题。如该桥20#过渡墩，若单靠加大伸缩缝间隙并不能完全解决问题，其主要原因是由于16#墩至24#墩的路线位于一段圆曲线上，同时两联的上部约束体系发生变化，墩高变化也较大，将这些因素综合起来即表现为两联桥的自振特性对于上部结构在地震时的响应有重要的影响。故该文选取间隙δ=12cm时16#至20#墩记为A联，20#至24#墩记为B联，对两联桥的自振周期TA/TB比值大小与地震时20#墩处主梁可能发生的碰撞力关系进行了分析（图16）。计算结果表明：当相邻跨周期比值在1.09～1.18这个区间时，强震作用下梁端撞击力显著下降，周期比值小于1.0时，撞击力将增大。在设计时将A联和B联的周期比控制在1.09～1.18区间再配合相应的伸缩缝设计，可从根本上解决20#墩处主梁在强震中的碰撞问题。但当间隙量达到28cm时，全桥过渡墩均可避免主梁的碰撞。5#墩撞击(1）采用隔震设计的桥梁其伸缩缝变形量不仅要根据温度变化计算，同时必须考虑由于相邻联桥之间的地形、几何线形（斜交）、刚度变化等因素，结合伸缩缝处在地震时出现的碰撞情况来设计变形量。计算结果表明：该桥20#过渡墩在地震时极易发生碰撞，强震时采用δ=12～24cm的伸缩缝都会发生碰撞，相比之下间隙位移量大的伸缩缝撞击力相应减小。(2）结合工程实例，对与桥梁主梁碰撞相关因素如几何线形、约束体系、墩高变化等综合采用相邻跨周期比来体现，经过大量计算得出了最佳的周期比范围，配合相应的伸缩缝设计以解决桥梁在强震下出现的主梁碰撞问题。(3）计算结果表明：主梁撞击对该跨的桥墩内力（剪力和弯矩）影响并不大，主要破坏集中在伸缩缝、支座以及上部结构的护栏。计算结果表明：在20#桥墩处，当大震发生时将会出现主梁频繁的碰撞现象（图4），在CenturyCity震动下采用3种伸缩缝都没有出现碰撞现象，而在另外两条强度较大的地震作用下，20#过渡墩处均发生碰撞，当采用δ=20cm的伸缩缝时的最大撞击力比δ=12cm减小约85%。由于17#～19#桥墩墩高均为60～70m，故均采用了墩梁固结控制了地震时上部结构的位移，与之相邻联的墩高逐渐减小，且采用了隔震支座，故这两联的结构和约束体系均发生了一定的变化，这也是造成20#墩处在大震下主梁碰撞的主要原因。而如图5所示，24#墩的碰撞次数以及力都要比20#小。图6、7表明在强震下位移量大的伸缩缝可减小20#墩处撞击力，24#墩采用大位移伸缩缝时碰撞次数减小但撞击力增大。图14、15分别给出了全桥在不同间隙量变化下合计的主梁撞击次数和最大撞击力的规律。当Loma地震动输入下，支座最大位移约为18cm（图8），但在NewHall输入下，支座最大位移将达到40cm，此时支座处基本破坏，保证盖梁至梁端足够的构造距离至关重要。发生主梁碰撞的过渡墩及其邻近墩的内力结果显示：采用不同的伸缩缝间隙对于墩柱内力的影响并不大，如图12、13中的弯矩和剪力图所示。主梁间的撞击能量主要在上部结构中释放，故梁端部分会受损，同时当支座位移过大破坏后，在过渡墩处如果支撑宽度过小有落梁风险。从图10、11可以看出，Caltrans纤维模型的延性较M