嘉闵高架桥抗震体系选型研究

嘉闵高架桥抗震体系选型研究

1减、隔震体系与延性体系的经济性比较据川地震介绍，中国在总结多年理论和实践研究成果的基础上，制定了《道路桥梁防护设计规则》和《城市桥梁防护设计规范》。新规范除了进一步完善结构延性设计以外,还首次系统引入了减、隔震设计的有关内容。事实上,现代结构减、隔震技术诞生于20世纪50年代,已在新西兰、美国、日本以及欧洲等得到了非常广泛的应用,许多经历了实震检验的减、隔震桥梁也都表现出了非常优越的抗震性能[4~6]。相比之下,我国减、隔震在实际工程中的应用十分有限。新规范颁布之后,尽管相关的减、隔震应用案例逐渐增多,如映汶公路重建项目等,但从总体上看,工程应用的比重还远低于发达国家。自20世纪中期以来,关于延性体系和减、隔震体系对结构性能方面的影响,已进行了大量的相关研究[7~9],但从经济性的角度,对这2种体系对比研究则相对较少。Mitoulis等研究了墩(台)梁支撑连接方式对多跨连续梁桥的经济性影响,其中考虑了墩(台)梁固结、支座隔震以及部分固结部分隔震的混合模式,结果表明混合模式的综合经济性最好。李建中等针对我国某城市快速路高架桥进行了延性抗震体系和减、隔震体系的经济性比较,结果表明采用减、隔震体系具有更优的经济性。当前,我国城市化进程飞速发展,城市高架交通网络的建设需求非常大,这些高架交通网络除了承担日常的交通运输外,在地震时还应承担抢险救灾、人员和物资运输以及灾后重建等多重任务,其抗震性能对整个城市的防震救灾能力具有非常重要的意义。由此可见,减、隔震技术在我国的工程应用具有非常广阔的前景。但由于缺乏相关工程应用经验积累,其推广应用还受到很大的限制。因此,有必要将传统的延性抗震体系与减、隔震体系进行深入、系统的对比和优化,尤其是在经济性方面,为工程师在结构设计中合理选择结构抗震体系提供更全面的参考依据。本文以上海嘉闵高架桥为依托,进行了系列标准跨桥梁的地震反应分析,包括延性抗震与减、隔震2种体系,通过参数分析和优化,对比了2种体系下的结构抗震性能,在此基础上,进一步对2种抗震体系的经济性进行了对比分析。2动力分析模型上海嘉闵高架路(北翟路至G2段)全长3.29km,主线标准桥为3×30m简支、桥面连续小箱梁桥,桥宽24.5m(图1)。下部结构为双柱墩,倒T形盖梁,高度3.55m,全线立柱高度范围(不含盖梁高度)为2~25m。场地类别为四类软土场地,整体稳定性较好,可不考虑软土震陷影响。基础采用直径0.8m的钻孔灌注桩基础,桩长40m。地震设防烈度7度,设计基本加速度为0.1g,场地系数1.4,特征周期0.65s。地震波输入包括3条根据目标谱拟合的人工波和4条实震记录。尽管全线的墩高变化幅度较大(2~25m),但由于桥址场地较为平坦,相邻联墩高差异不大,因此各联桥均为规则桥,全线标准桥可以离散为一系列具有不同墩高的等墩高连续梁桥。根据这一特点,选取一联典型标准桥建立结构三维有限元动力分析模型。主梁、墩均采用空间梁单元模拟,二期恒载模拟为附加分布质量,承台模拟为质点,桩基采用等效土弹簧模拟桩土相互作用。延性设计体系采用普通盆式支座、主从约束模拟;减、隔震体系采用铅芯橡胶支座J4Q520×520,采用双线性本构关系。10m墩高工况的标准连续梁桥有限元模型如图2所示,为考虑相邻联结构之间的动力相互作用,分别在左右侧增加了一联相同墩高和跨径布置的边界联。对于其他墩高工况,可以通过改变模型中墩柱的长度来实现。3结构抗护体系的参数分析3.1墩柱延性能力延性抗震体系共考虑了4种墩柱截面形式:2.0m×1.2m、2.0m×1.5m、2.0m×1.8m、2.4m×1.8m(纵向×横向),分别记为截面A、B、C、D。其恒载轴压比范围:0.12~0.24,涵盖了常用的墩柱尺寸范围;减、隔震体系墩柱仅考虑B和D两种截面。按1.2%的纵向截面配筋率,计算各墩柱能力需求比,其中横向地震输入下考虑了地震轴力对墩柱截面承载能力的影响,结果如图3所示。图中各系列曲线的含义为:抗震体系(D-延性,I-减、隔震)-地震作用(E1、E2)-墩柱截面(A、B、C和D)。从图3可以看出,延性抗震体系各墩柱均满足E1地震作用下的强度需求,且安全余度较大,但在E2地震作用下,绝大多数均进入延性。这表明常规的墩柱设计较容易满足E1地震要求,但在E2地震下一般会屈服,因此延性抗震体系应特别注意墩柱延性能力的设计。减、隔震体系由于要求主体结构基本保持弹性,因此墩高10m以下可采用B截面,10m以上则需采用D截面。3.2高墩基础承载能力不同抗震体系承台底地震响应如图4所示,从图4可以看出,延性抗震体系由于受能力保护控制,横桥向的地震需求要明显大于顺桥向,但随墩高的增加,横桥向地震需求逐渐下降,顺桥向则基本不变。对于减、隔震体系,纵、横向地震响应比较接近,且都随墩高的增加而增加。对比2种体系可以看出,减、隔震体系对矮墩区的基础地震响应有明显优势,但这种优势随墩高的增加而逐渐减弱。提高基础的承载能力除增加桩数以外,还可以通过增加配筋来实现。图5所示为基础承台底的承载能力对比,从图5(a)可以看出,当桩基配筋率较低时,配筋率每增加0.5%,承载能力可提高20%~25%。但需要注意的是,高墩区基础的承载能力转由单桩最大承载力控制,此时增加配筋则不能持续提高承载力。此外,不同桩基布置方案(图6)也会对其承载力产生明显的影响,如图5(b)中P16-1方案的横向承载力要明显大于纵向的,而P16-2方案的则在2个方向上基本相当。将其与基础的地震需求相匹配,显然P16-1方案更适用于对横向承载能力要求更高的延性抗震方案,而P16-2方案则更适用于两方向需求相当的减、隔震方案。对比图4和图6,按最小能力配置给出各工况下的基础设计方案,如表1所示。延性方案的基础工程受立柱截面和高度影响明显,当立柱截面较大或高度较低时,所需要的基础规模越大。而对于减、隔震体系,基础受这些因素影响较小,可以统一地采用P16-2方案。3.3无附加限位措施的混凝土挡块延性抗震体系的支座连接部分应按能力保护进行设计,因此当墩柱截面尺寸较大或墩高较矮时,连接部分的地震响应就很大,如图7所示。通常情况下,抗震型的盆式橡胶支座在约束方向上的水平承载能力为竖向承载力的20%。即使全部支座均具有横向约束,单个墩位处的支座抗剪能力总和仍不超过4800kN,显然需要附加的限位措施。钢筋混凝土挡块是最常见的抗震限位措施,但相关研究表明,其承载能力有限(Priestley1996),难以承担较大的剪力需求。对于减、隔震体系,根据非线性时程分析结果,所有工况下的支座侧向地震位移均不超过±60mm。考虑正常使用荷载下因混凝土收缩徐变、温度以及车辆制动力等的变形需求±35mm,采用J4Q520×520型铅芯橡胶减隔震支座,橡胶层总厚度为66mm,支座极限变形可达±165mm(按250%极限剪应变计),可满足支座变形验算要求。4结构抗震体系造价较高图8所示为不同结构抗震体系的工程造价对比,其中价格曲线的突变主要是由于桩基数量或配筋率的不连续变化引起的。从图8可以看出,延性抗震体系的工程造价受墩柱截面影响较大,采用截面D要比采用截面A的下部结构工程造价平均高出20%~40%。这主要是墩身强度对基础工程的影响所致,较大的墩身强度导致较大的基础地震需求,而桩基在总体工程造价中的比重又较大,约占工程总造价的20%(图9),因此桩基部分工程造价的增加会明显增加工程总造价。由此可见,适当优化墩柱截面强度,控制桩基用量,可显著减小延性抗震体系工程造价。此外,图8也显示,矮墩区延性抗震体系的工程造价要明显高于采用相同截面的中、高墩区,同样这也是由于矮墩对基础的地震需求较大所致。这表明:矮墩区采用延性抗震体系并不具有经济性优势。对于减、隔震体系,可以看出其工程造价随墩高近似呈线性增长趋势。与延性抗震体系相比,其在矮墩区的价格优势十分明显。尽管铅芯橡胶支座的单价约为相同吨位盆式橡胶支座的2.6倍,但其在结构总体造价中的比重仅为2.5%,而1根长40m、直径800mm、配筋率2.0%的单桩造价约合4.38万元,相当于5.3个铅芯橡胶支座的价格;同样,将桩基配筋率下调为1.5%,16根桩的基础则可节约5.40万元,相当于6.5个铅芯橡胶支座的价格。可见,减、隔震体系对基础部分的造价节约可以有效弥补减、隔震支座的费用增幅。但随着墩高的增加,延性抗震体系对基础的抗震需求也逐渐降低,减、隔震体系的优势也随之减弱,如图8所示,在中、高墩区,减、隔震体系的总体造价逐渐逼近,甚至反超延性抗震体系的造价。表2所示为最终的结构抗震体系建议方案,对墩柱和基础的设计参数进行了适当的统一,最大程度地简化了施工要求。其经济性分析结果也列于图8中,可以看出,该方案很好地融合了减、隔震体系和延性体系的优势。5经济性对比研究本文基于我国两水准设防的新规范体系,对城市高架桥的结构抗震体系优化展开研究。以上海嘉闵高架桥为研究对象,分别分析了延性抗震体系与减、隔震体系的地震响应规律,并基于构件地震需求与能力合理匹配,进行了相关的设计参数优化。在此基础上,对2种抗震体系进行了经济性对比研究,划分了2种体系的合理应用范围,并给出最终建议设计方案。主要研究结论如下:(1)高架桥采用延性抗震体系较容易满足E1地震下的强度需要,但在E2地震作用下,墩柱一般会进入屈服,受能力保护设计原则的影响,基础部分的地震需求受墩柱截面强度和墩高的控制非常明显,合理设置墩柱的强度