連續(xù)梁橋具有結(jié)構(gòu)剛度大、變形小的特點,在我國有著廣泛的應(yīng)用。對連續(xù)梁橋的空間地震反應(yīng)分析表明[1],由于連續(xù)梁橋一般只設(shè)置一個固定墩,在地震荷載作用下,縱橋向的地震荷載的絕大部分均由設(shè)置在固定墩上的固定支座來承受,因此,固定墩處于十分不利的受力狀態(tài)。如果一味要求固定墩滿足強度要求、在彈性范圍內(nèi)工作,不僅是不經(jīng)濟的,而且也沒有必要。本文探討了一種新穎的作法,即利用減隔震的基本原理,在不改變原橋梁主體結(jié)構(gòu)的情況下,僅對固定支座進行適當(dāng)?shù)臏p隔震設(shè)計,以滿足"小震不壞、中震可修、大震不倒"的設(shè)計要求。
一、減隔震原理
延長結(jié)構(gòu)的自振周期可以有效地減小結(jié)構(gòu)的地震加速度反應(yīng),從而減小結(jié)構(gòu)由于地震所遭受到的地震荷載。對于橋梁結(jié)構(gòu),采用橡膠支座、聚四氟乙烯支座以及其他滑動支座即瓦達到增加結(jié)構(gòu)柔性、延長結(jié)構(gòu)自振周期的目的。但是,隨著結(jié)構(gòu)自振周期的延長,梁體與墩臺之間的相對位移也同時增加。為了減小由于結(jié)構(gòu)自振周期延長而增加的梁墩相對位移,可以采用增加結(jié)構(gòu)阻尼的方法。加大結(jié)構(gòu)的阻尼,地震引起的位移反應(yīng)能得到明顯的抑制[1].
綜上所述,減隔震的基本原理為:
?。?)采用柔性支承,以延長結(jié)構(gòu)的自振周期,從而減小結(jié)構(gòu)由于地震引起的內(nèi)力反應(yīng);
?。?采用阻尼器或耗能裝置,以控制由于周期延長而導(dǎo)致的過大的相對位移;
?。?)具有足夠的剛度和強度,以支承正常使用極限狀態(tài)下的水平力(如風(fēng)荷載、汽車制動力等)。
二、工程背景
本文以某五跨連續(xù)梁橋為工程背景,該橋跨徑組合為49.90+3X80.00+49.90(m)。橋址的土質(zhì)(在地表以下20.0m范圍內(nèi))為淤泥、淤泥質(zhì)亞粘土、粘土和細砂,地基容許承載力[σ0]<130kPa.根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004-89)第4.2.2條規(guī)定,確定該橋場地類別為Ⅳ類場地上。
該連續(xù)梁橋的上部結(jié)構(gòu)為兩個分離的單箱單室變截面箱梁,主域處梁高4.5m,邊墩及跨中的梁高均為2.0m;主墩為變截面空心柱體,邊域為排架式撤柱,縱橋向兩排,每排3個實心嫩柱、主梁和橋墩之間采用盆式橡膠支座連接。
1.分析模型
該橋的抗震計算采用同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室橋梁抗震學(xué)科組編制的程序NSRAP進行。
考慮到橋墩基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁,墩底位移相對較小,將橋墩固結(jié)在墩底會增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng),故而適當(dāng)放大結(jié)構(gòu)周期,將墩延長約3倍樁徑固結(jié)「3」。橋墩依線彈性梁單元來處理。計算中對活動支座考慮其非線性效應(yīng),用非線性支座單元處理。采用Ⅳ類場地人工波作為輸入地震波,依Eurocode8對地震波進行三個方向組合,以縱橋向為驗算主方向「4」。設(shè)計基本烈度為7度。
2.驗算結(jié)果
對結(jié)構(gòu)進行非線性時程反應(yīng)分析。計算結(jié)果均以一幅計。
3.結(jié)果分析
?。?)固定支座
設(shè)計單位設(shè)計的盆式支座布置情況為(以一幅計):兩邊墩分別設(shè)置兩個TPZ3000-ZX型盆式橡膠支座,固定墩設(shè)置兩個TPZ 15000-GDZ型盆式橡膠支座,余主墩上皆各設(shè)兩個TPZ15000-ZX型盆式橡膠支座。
TPZ 15000一GDZ型盆式橡膠支座為抗震型支座,其豎向承載力為15000kN,可承受的最大水平力為15000 X 20%= 3000kN,故固定墩墩頂所能承受的最大水平力為 6000kN.
6度地震荷載作用下,固定墩墩頂所承受的水平力為6455kN,大于其上固定支座所能承受的最大水平力,固定支座被剪壞。
(2)固定墩
對固定墩的鋼筋混凝土截面進行彎短一曲率關(guān)系分析,得到其縱向反應(yīng)及屈服彎矩。
7度和8度地震荷載作用下,截面的能力/需求比大于1,表明固定墩墩底截面發(fā)生塑性變形,即,在承受一定的軸力作用時,截面所承受的彎矩超過截面屈服彎矩,進入了非線性工作階段。
?。?)解決方案
由驗算可知,該橋在6度地震荷載作用下,固定支座已被剪壞,不能滿足橋現(xiàn)關(guān)于"小震不壞"的設(shè)計要求。而且,固定墩在7度地震荷載作用下的"截面能力/需求比"高達180.4%,這說明設(shè)計基本烈度地震荷載作用下,固定墩的強度已不能滿足。因此,"中震可修"的要求也難以保證。
通常遇到這種情況,常采用以下解決方法:
?。?)將原有支座改為符合承載力要求的抗震型橡膠支座;
?。?)對橋墩進行延性設(shè)計,將橋墩設(shè)計得具有足夠的延性,在控制變形的前提下,利用塑性鎮(zhèn)來耗能;同時由于塑性鉸的出現(xiàn)而使結(jié)構(gòu)的基本自振周期延長,從而減小了地震所產(chǎn)生的慣性力。
本文在進行抗震驗算時,該橋主體方案已經(jīng)確定,并已經(jīng)開始施工。在這種情況下,在不增加工程造價的前提下,采用了第一種方案,即對原有的固定支座進行了再設(shè)計,引入減隔震概念,以使其滿足設(shè)計要求。