横向非对称高低墩桥梁地震响应分析及抗震措施研究

2022-03-04余波汤庆超张隆顺陈耀章

公路与汽运 2022年1期

余波，汤庆超，张隆顺，陈耀章

(1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明 650000；2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015)

随着公路桥梁建设向山区延伸，横向非对称高低墩(以下简称高低墩)情况越来越多。针对双柱式桥墩，沈星等建立双柱墩模型，研究了横系梁刚度变化对桥墩破坏机理、墩顶位移能力、位移延性系数及基础受力的影响；王文科等针对砼连续梁桥，采用Pushover分析法对影响桥墩抗震延性能力的砼强度、纵筋和箍筋等主要参数进行了研究；孙治国等基于OpenSees数值分析平台建立无系梁和设置延性系梁的双柱墩抗震数值分析模型，分析了延性系梁设置对双柱墩地震反应的影响；吴宜峰等利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件建立钢筋砼双柱墩精细有限元数值模型，进行了双柱墩在不同控制参数下数值模拟试验；焦驰宇等针对不同墩柱形式的曲线桥进行数值模拟，分析了单梁法、脊梁法、梁格法模型在桥梁地震反应中的误差。以上研究提出了双柱式桥墩静动力特性的改善措施，但对高低墩没有提出系统、完整的改善措施。该文采用有限元软件MIDAS/Civil对高低墩在地震力作用下的结构响应进行分析，研究其改善措施，为高低墩设计与施工提供参考。

1 工程概况

某拟建桥梁抗震设防烈度为7度，地震动峰值加速度为0.15g，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.45 s，结构抗震设防类别为B类，不考虑风荷载等水平力作用。

全桥共五联，取横向墩高相差最大的一联进行计算分析。如图1所示，该联为4×39 m预应力砼(后张)连续T梁桥，下部结构桥墩编号依次为1#～4#，墩柱直径为1.9 m，桩基直径为2.0 m，中系梁与地系梁截面高1.7 m、宽1.3 m。在1#、4#墩顶设置LNR(H)滑动型支座，2#～3#墩顶设置LNR固定型支座，墩顶横向布置6个支座。桥墩截面高度见表1。

图1 桥型布置(单位：标高为m，其他为cm)

表1 一联内桥墩高度数据 m

2 建立有限元模型

2.1 单元模拟

采用MIDAS/Civil 2020建立数值模型，上部结构、桥墩、桩基础均采用考虑截面剪切变形的空间梁单元模拟。采用直角坐标系，X轴为桥纵向，Z轴为桥竖向，Y轴为桥横向。为考虑材料弹塑性效应，在进行钢材模拟时选用双折线模型，钢材的屈服强度取400 MPa，弹性模量为2.05×105MPa。选用Mander模型分别定义有约束砼和无约束砼，C35砼抗压强度标准值为23.4 MPa，弹性模量为3.15×104MPa。有限元模型见图2。

图2 桥梁有限元模型

2.2 边界模拟

在有限元模型边界模拟时，桩底进行固结约束。根据m法计算得到土弹簧水平向约束刚度，以进行桩身单元土层作用模拟。结构内部构件间联系采用共节点，桥墩抗推刚度按桥墩和支座的联合刚度考虑，支座刚度模拟结果见表2。

表2 支座刚度模拟结果

2.3 荷载输入

桥梁恒载作用考虑上部梁体自重和二期恒载，二期恒载包括桥面铺装和安全护栏，均以均布荷载形式施加；考虑二期荷载对结构振型计算的质量与刚度贡献；考虑结构整体抵抗纵、横向地震作用影响，模态组合采用CQC法。

2.4 模型分析方法

取钢筋砼模态阻尼比为5%，先通过集中质量法将模型二期和结构质量转换到3D方向，再采用Ritz向量法进行特征值分析和直接积分法对成桥进行地震反应谱分析。

3 计算结果与分析

3.1 弹性阶段抗弯承载能力验算

为便于分析，取具有代表性的3#墩柱的验算结果(见表3、表4)进行分析。

表3 水平向地震力作用下的结构响应

表4 规范工况组合下结构验算结果

由表3、表4可知：3#桥墩在E1地震力作用下均处于弹性状态；在E2地震力作用下3#-0墩柱已屈服，已不能按弹性阶段的强度理论计算，需进行塑性状态抗剪承载能力验算。

3.2 塑性阶段抗剪承载能力验算

对3#-0和3#-1进行塑性铰区刚度折减，验算塑性状态下墩柱抗剪承载能力，结果见表5。

表5 塑性铰区的抗剪验算结果

由表5可知：由于3#-0和3#-1墩柱的箍筋配箍率和砼强度相同，两墩柱的塑性阶段抗剪承载能力相同。而实际地震力分配时，由于3#-0墩柱的抗推刚度大于3#-1墩柱，3#-0分配的地震力更大，导致3#-0的抗剪承载能力不足，易发生剪切破坏。

3.3 位移验算

双柱墩的顺桥向容许位移可按JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》计算。对横桥向允许位移，在盖梁处施加水平力F，进行非线性静力分析，当墩柱的任一塑性铰达到其最大容许转角时，盖梁处的横向水平位移即为容许值。高低墩的容许位移均由低墩容许位移控制。墩柱顶位移验算结果见表6。

表6 墩柱顶位移验算结果

通过对3#-0和3#-1墩顶位移进行比较，桥墩位移允许值均由低墩控制，且3#-1墩顶位移设计值大于3#-0墩顶位移设计值。

4 抗震改善措施分析

根据以上分析，在地震力作用下，低墩在下部结构设计中起控制作用；高差较大时，易发生剪切破坏。为改善高低墩的受力状态，提出3种改善措施：1)提高配筋率和配箍率；2)增强双柱墩系梁刚度；3)控制墩底高差。

4.1 配筋率和配箍率影响效应分析

为研究配筋率和配箍率对高低墩抗震性能的影响，在进行配筋率分析时，控制配箍率不变，修改纵向钢筋直径；在进行配箍率分析时，控制配筋率不变，修改横向箍筋直径。

4.1.1 配筋率影响效应分析

以设计方案分析模型为基础，改变双柱墩纵向钢筋直径依次为22、25、28、32、36 mm，其他参数不变(采用依托工程尺寸，下同)，分析双柱墩配筋率对桥墩抗弯承载能力与曲率的影响。计算结果见图3、图4。

图3 配筋率对弯矩的影响

图4 配筋率对曲率的影响

由图3可知：提高配筋率可提高墩柱在弹性阶段的抗弯承载能力，抗弯承载能力呈线性变化；钢筋直径为36 mm时，高墩的抗弯承载能力富余度为1.224，而低墩在地震力作用下进入塑性阶段。

由图4可知：提高配筋率对墩柱屈服曲率的影响减小，对墩柱极限曲率的影响呈线性负相关，纵向钢筋每提高一个等级，墩柱的极限曲率降低0.856×10-3。因曲率与桥墩位移延性系数正相关，配筋率增加会降低桥墩变形能力。

4.1.2 配箍率影响效应分析

以设计方案模型为基础，改变双柱墩横向箍筋直径依次为8、10、12、14、16 mm，其他参数不变，分析双柱墩配箍率对高低墩抗剪承载能力与曲率的影响。计算结果见图5、图6。

图5 配箍率对弯矩的影响

图6 配箍率对曲率的影响

由图5可知：提高配箍率可提高墩柱在塑性阶段的抗剪承载能力，高低墩抗剪承载能力变化趋势相同。箍筋直径为14 mm时，即能满足承载能力要求，此时高墩承载能力富余度为1.710，低墩承载能力富余度为1.280。

由图6可知：提高配箍率对墩柱屈服曲率的影响较小。因箍筋可通过限制砼膨胀来提高砼极限应变，配箍率对墩柱极限曲率的影响成线性正相关，箍筋每提高一个等级，墩柱的极限曲率提高3.528×10-3，从而使墩柱的延性增加，抗震性能得以改善。但在实际施工中，箍筋直径太大不便于弯折，会增加施工难度。

4.2 系梁刚度影响效应分析

以设计方案模型为基础，分析双柱墩系梁刚度对桥墩受力的影响。保持桥梁其他参数不变，仅改变双柱墩起横向连接作用的地系梁和中系梁刚度，通过改变系梁砼弹性模量E来实现。依次设置各方案的弹性模量比值为E方案N∶E方案 N+1=1∶3(N为1～4，其中方案3的弹性模量和材料实际弹性模量一致。选取3#-0和3#-1墩墩底的5个单元进行抗弯承载能力比较，单元编号从系梁到墩底方向依次增大。计算结果见图7～10。

图7 系梁连接强度对3#-0墩弯矩的影响

由图7、图8可知：1)对高墩加强或减弱系梁刚度，均会降低其抗弯承载能力富余度。方案3中墩底单元(713)承载能力富余度为5.384，方案1、方案5中分别为0.762、0.670；方案3中系梁附近单元(708)承载能力富余度为1.972，方案1、方案5中分别为0.914、1.000。2)对低墩加强或减弱系梁刚度，墩底单元抗弯承载能力富余度有所增加，而系梁附近位置抗弯承载能力富余度有所减弱。方案3中墩底单元(691)承载能力富余度为0.853，方案1、方案5中分别为0.924、0.997；方案3中系梁附近单元(686)承载能力富余度为1.217，方案1、方案5中分别为1.177、1.050。