30 m連續(xù)T梁橋減隔震設(shè)計(jì)下的合理墩高范圍研究

李克磊

(寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750001)

1 建立模型

選取寧夏境內(nèi)省級(jí)高速公路S50寨科至海興段4 m×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁橋進(jìn)行分析，單幅橋?qū)?2.50 m，蓋梁尺寸為1.6 m×2.0 m。根據(jù)不同墩高，下部結(jié)構(gòu)共采用四類尺寸，如表1所示。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)板式橡膠支座只能滿足較小剪切位移，不能適應(yīng)溫度、地震及其它水平力作用下的較大剪切位移要求，支座易發(fā)生撕裂，故本文中按延性設(shè)計(jì)的橋梁支座采用能滿足較大的剪切位移且與主梁、墩臺(tái)進(jìn)行有效連接的LNR系列水平力分散型橡膠支座，其中連續(xù)墩處采用固定型LNR-520×570×187，首尾非連續(xù)墩處采用滑動(dòng)型LNR(H)-420×420×149。對(duì)于減隔震設(shè)計(jì)，連續(xù)墩處采用固定型高阻尼橡膠支座HDR(I)-520x570x237-G1.0，非連續(xù)墩處仍采用滑動(dòng)型LNR(H)-420×420×149，所有支座參數(shù)如表2～4所示。

表2 固定型高阻尼橡膠支座參數(shù)

表3 固定型水平力分散型橡膠支座參數(shù)

表4 滑動(dòng)型水平力分散型橡膠支座參數(shù)

橋位處抗震設(shè)防烈度為8°，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.2 g，特征周期為0.45 s，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，故抗震設(shè)防類別為B類。因要考慮減隔震支座的非線性特性，故計(jì)算采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法。本文僅進(jìn)行E2地震作用計(jì)算，根據(jù)提供的橋位處地震安全評(píng)估報(bào)告和地震動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，選取50年超越概率為2.5%的地震波各3條作為動(dòng)力時(shí)程分析的地震動(dòng)輸入，計(jì)算結(jié)果取最大值。

應(yīng)用MIDAS/Civil建立4 m×30 m連續(xù)T梁全橋模型，其中樁基采用6×6的樁土相互作用彈簧剛度矩陣來模擬每根樁頂處的剛度，剛度計(jì)算采用“m”法。

2 減隔震效果分析

2.1 墩底內(nèi)力分析

按照表1中的尺寸體系建立模型，假定墩柱保持彈性狀態(tài)，分別計(jì)算墩高由4 m變化到35 m的采用減隔震設(shè)計(jì)和延性設(shè)計(jì)的墩底順橋向內(nèi)力并進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 對(duì)應(yīng)不同墩高的墩底彎矩

圖2 對(duì)應(yīng)不同墩高的墩底剪力

由圖2、圖3可知，當(dāng)墩柱高度為每一墩柱尺寸對(duì)應(yīng)的墩高下限值時(shí)，采用減隔震支座的順橋向墩底彎矩、剪力降低最為明顯，對(duì)應(yīng)4 m、15 m、25 m墩高的彎矩降低率分別為40.2%、31.3%、25.5%，剪力降低率分別為38.0%、28.5%、28%。隨墩高增大，墩底彎矩、剪力降低率總體呈減小趨勢(shì)，當(dāng)墩柱高度達(dá)每一墩柱尺寸的墩高上限值，即15 m、25 m、35 m時(shí)，彎矩降低率分別減小至15.8%、15.7%、14.9%，剪力降低率分別減小至11.8%、22.4%、21.4%，減隔震效果不再明顯。

2.2 位移反應(yīng)分析

按照表1中的尺寸體系建立模型，分別計(jì)算墩高由4 m變化到35 m的采用減隔震支座的順橋向支座變形和主梁位移，并列出二者的比值，結(jié)果如表5所示。

表5 減隔震支座變形占主梁位移比值

由表5可知，采用減隔震支座的順橋向支座變形占主梁位移比值總體上是隨墩高增大而減小(除了當(dāng)墩柱高度為每一墩柱尺寸對(duì)應(yīng)的墩高下限值時(shí)有小幅度的反彈)。這表明當(dāng)墩高很小時(shí)，支座變形是上部結(jié)構(gòu)位移主要組成部分，橋梁主要耗能部位在支座，減隔震效果明顯；而隨墩高增大，支座變形在上部結(jié)構(gòu)位移中占比減小，墩柱位移成上部結(jié)構(gòu)位移的主要組成部分，橋梁主要耗能部位在墩柱，減隔震的效果不再明顯。

2.3 橋墩抗震能力需求分析

從以上墩底內(nèi)力及位移反應(yīng)變化趨勢(shì)可以得出減隔震支座的減隔震效果隨墩高增大而減弱，但是因?yàn)闇p隔震體系橋梁墩柱和基礎(chǔ)應(yīng)保持彈性狀態(tài)，所以若判斷墩高具體達(dá)到多少時(shí)減隔震支座不再適用還應(yīng)依據(jù)橋墩抗震能力需求分析。

假定墩柱主筋直徑28 mm，墩底處箍筋直徑16 mm，間距7.5 cm。當(dāng)墩柱直徑為1.4 m，墩高在3～8 m之間時(shí)，分別計(jì)算主筋根數(shù)為20、28和38(對(duì)應(yīng)配筋率為0.8%、1.12%和1.52%)這三種情況下的橋墩順橋向等效屈服彎矩，再與E2地震作用下對(duì)應(yīng)墩高的墩底順橋向彎矩進(jìn)行比較，得出抗震能力需求比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 直徑1.4 m的墩柱抗震能力需求比

采用減隔震體系時(shí)需保證橋墩基本保持彈性狀態(tài)，即橋墩抗震能力需求比不小于1。由上圖可知，隨墩高增大、橋墩配筋率降低，橋墩抗震能力需求比下降。三種配筋率下，對(duì)應(yīng)能力需求比為1的臨界墩高分別為5.0 m、6.3 m和7.0 m。

考慮到某些工程中，對(duì)于15 m以下墩高，會(huì)采用剛度更大，如直徑1.6 m的墩柱。因此，假定墩柱鋼筋直徑不變，計(jì)算墩柱直徑為1.6 m，墩高在6～11 m之間，主筋根數(shù)為28、38和46(對(duì)應(yīng)配筋率為0.86%、1.16%和1.41%)情況下的橋墩抗震能力需求比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 直徑1.6 m的墩柱抗震能力需求比

由圖5可知，此時(shí)三種配筋率下，對(duì)應(yīng)能力需求比為1的臨界墩高分別為7.6 m、9.0 m和10.0 m。因此可以推斷，當(dāng)墩柱提高配筋率，或采用剛度更大的截面尺寸時(shí)，橋墩抗震能力將會(huì)提升，適用減隔震體系的臨界墩高將會(huì)增大。但是，對(duì)于30 m T梁來說，考慮到經(jīng)濟(jì)型、美觀性，墩柱配筋率和截面尺寸一般情況下不會(huì)很大，因此其適用減隔震體系的臨界墩高也不會(huì)很高，盲目地不論墩高大小一律采用減隔震支座無疑是不經(jīng)濟(jì)、不合適的。

3 結(jié) 論

由以上針對(duì)4 m×30 m連續(xù)T梁橋的分析結(jié)果可得出以下結(jié)論。

(1)和采用延性設(shè)計(jì)的橋梁相比，采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁墩底彎矩、剪力降低率隨墩高增大而減小，減隔震效果逐漸降低。

(2)采用減隔震設(shè)計(jì)的支座位移占上部結(jié)構(gòu)位移比值隨墩高增大而減小，表明減隔震支座的地震耗能逐漸減小，減隔震效果逐漸降低。

(3)橋墩配筋率和截面尺寸決定了橋墩的抗震能力，也最終決定了抗震力需求比為1的臨界墩高，即適合采用減隔震設(shè)計(jì)的墩高。

(4)30 m T梁橋墩一般不會(huì)采用高配筋率、大尺寸的截面，故適用減隔震體系的臨界墩高不會(huì)很高，在實(shí)際工程中對(duì)于橋墩較高的情況，需慎重使用減隔震支座。