桥墩刚度对连续梁桥向抗震性能的影响

桥墩刚度对连续梁桥向抗震性能的影响

连续梁桥具有布置形式合理、结构简单、施工方便等优点。在地震桥的景观设计中，简调梁容易落在梁上，需要连续且尽可能少地使用收缩缝。这在中小型斜桥中是很有竞争力的。由于已往桥梁的地震震害多表现在纵桥向落梁、坍塌等,研究的重点工作多关注于纵桥向的抗震能力.随着桥梁抗震研究的发展,在纵桥向,可以通过采用减震支座、耗能限位装置以及提高墩体的延性来满足设计要求,因而横桥向的问题就显现出来.虽然横桥向的问题也可以通过采用提高墩体延性来改善,但如果采用双向延性设计则大大降低了墩底的抗剪能力.笔者对某桥梁工程进行抗震分析,利用连续梁桥的等效模型的简化分析,并对Ⅰ类场地和Ⅲ类场地分别进行研究,提出了提高横桥向抗震性能的方法,这对于指导地震区连续梁桥的概念设计具有特别重要的意义1跨上部结构形式本桥是一座等跨度的25跨T形连续梁桥,每跨29m,分成5联,第一联3跨,第二联7跨,其余各5跨.各桥跨上部结构形式相同,为T形连续梁,有6根主梁,且横桥向刚度较大(Iz-z=64.258m4);下部结构分变截面实心墩、变截面空心墩和双柱墩3种形式,高度从5.5～48.0m不等,共24个桥墩.2横向地震力的计算对于采用排架墩或柔性墩的连续梁桥,与下部结构的刚度相比,无论是在横桥向或是纵桥向,上部结构都表现出很大的刚度.因此在建立动力模型时,在横桥向,可以认为上部结构为一个刚性杆,桥墩模拟为以横桥向刚度K的弹簧元件(见图1).在如图所示的结构模型下,墩顶剪力的简化计算方法如下:在地震力的作用下,地震力p作用在等代体系的质量中心Cm处.由于上部结构的刚度很大,结构体系可以以平动加转动的简化模式进行分析.可先将地震力作用于刚度中心,计算横桥向的平动位移:式中:Ki为各桥墩的横向刚度;P为横向水平地震力.在地震荷载的偏心作用下,将会引起桥梁结构以刚度中心为转动中心的转动位移,转动平衡方程为式中:xi为各墩与刚度中心之间的距离;为刚度中心与质量中心的距离;θ为体系发生的转角.式中:∑mi为桥梁结构各部分质量的总和,且桥墩质量乘以折减系数0.24,上部结构不折减.从图3的设计反应谱上,根据场地土的类别查得动力放大系数β,用来计算上部结构的水平地震加速度峰值:a=βamax式中:amax为地表水平加速度峰值,昆石线地区取值为4.03m·s-2.式中:xi取绝对值.因为虽然在某一瞬时结构的位移呈线性,但是在地震动的连续作用下,结构的运动是以x轴为中心的反复平动和以刚度中心为转动中心的反复摆动的和运动,所以,为求得地震动作用下的最大位移反应,xi应取正值.3集中力p的作用上一节研究了横桥向墩顶剪力的简化计算方法,简化计算模型将上部结构简化为一根刚度无穷大的直杆,将各桥墩简化为刚度为K的弹簧.在该模型下,地震力被简化成一个作用于质量中心Cm的集中力P,它可以分解成一个大小不变,但作用在刚度中心的集中力P和一个大小为M=P的弯矩.在集中力P的作用下,结构有一平动位移δk;在弯距M的作用下,结构出现转角为θ的转动位移.那么,当结构转动位移较大时,边墩的墩顶位移明显大于其它桥墩,造成在一联内边墩承担了大部分的水平地震荷载,整个结构体系受力不合理.所以,改善横桥向墩体受力可以从减小转动位移入手,使桥梁在一联内的位移以平动为主,转动位移不起控制作用.从图2的反应谱曲线可以看到:上部结构对地表水平加速度峰值的放大系数随地基土的不同而不同.所以改善结构受力应在设法减小转动位移的原则下,根据场地的类别分别讨论.3.1桥墩受力分析利用SAP2000将本桥梁建模计算,Ⅰ类场地和Ⅲ类场地的计算结果列于表1.从统计结果可以看出,由于刚度分布的原因,位移峰值出现在3号桥墩,造成第一联和第二联的位移较大,使其中几个刚度较大的桥墩墩底正应力和剪应力都比较大,桥墩受力情况不理想.3.2改善结构压力3.2.1结构体系发生的转角桥墩墩顶位移为δi=δk+xiθ,适当减小转动位移可以使各桥墩以平动位移为主,墩顶位移值将会比较均匀.在偏心地震力P作用下,结构体系发生的转角为θ=,即影响转角的主要因素为:由于一联内刚度分布不同而引起的和至∑Kixi2的变化.那么,设法调整各联的刚度分布从而减小转动位移是研究的出发点.3.2.2第二联结构的刚度分布Ⅰ类场地即构造物所在地的土层为岩石或紧密的碎石土.从反应谱中可以看到:Ⅰ类场地的特征周期比较短(Tg=0.2s),若结构周期大于特征周期,反应谱曲线进入下降段.那么,自振周期的增大将导致动力放大系数的大幅度减小.所以,针对Ⅰ类场地,应从减小某些桥墩横向刚度的角度调整各联的刚度分布.对第二联中的4个独柱墩——2,8,9,10号桥墩墩体中间设置纵向竖缝.这种做法可以在不改变纵桥向刚度的前提下,使横桥向刚度减少45%～50%,从而改善了第二联的刚度分布,计算的结果见表2.整个结构在调整后有了明显的改善.原结构中第二联转角较大,造成各桥墩墩顶位移值跨度大,3,10号桥墩墩底应力明显大于其它桥墩;结构调整后各桥墩墩顶位移以平动为主,各墩顶位移值很接近,改善了墩底应力.综上所述,对地基土比较坚实的场地,应采用为独柱墩加竖缝的方法减小某些桥墩的横桥向刚度,从而调整各联的刚度分布.这种方法一方面减小了上部结构的转角,另一方面也能减小等代体系的刚度,增大自振周期,从而使上部结构所承受的水平地震力减小.另外,调整结构应从起控制作用的一联入手,在本工程里,由于第二联等代体系刚度最小,位移峰值出现在该联的3号桥墩,所以第二联在全桥起控制作用.3.2.3第二、三大装置结构的组合问题Ⅲ类场地即构造物所在地的土层为松散的砾、粗、中砂,密实、中密的细、粉砂.与工类场地相比,Ⅲ类场地特征周期长(Tg=0.45s).全桥除第二联外,其它各联等代体系刚度均在特征周期以内.对这种情况,如果仍然采用Ⅰ类场地的方案,即在某些桥墩上设置纵向竖缝,是不可行的.因为如果地基土和桥墩刚度都比较小,桥梁结构在地震力作用下桥墩墩顶位移将会很大,甚至超出允许范围.所以,若地基土比较软弱,应采用调整制动墩或伸缩缝的位置,即改变分联方式的方法或直接限制上部结构的转动位移来减小上部结构的转角.下面提出的方案立足于改变第二、三联转动中心的位置,并在关键点增大桥墩刚度,限制转动位移.将3～8号桥墩分作一联,由于第二联转动中心的改变,使全桥位移峰值出现在8号桥墩上.同时,为限制8号墩的位移,将8～10号桥墩由独柱墩分解为双柱墩.这样做,一方面对桥墩纵向刚度没有太大影响,另一方面可以大大提高横向刚度并约束了横桥向墩顶位移,计算结果见表3.结构改善后,墩底正应力和剪应力均有了明显改善.可见,对于由多联组成的连续梁桥,各联转动方式的不同对墩顶位移的大小和桥墩的受力均有很大影响.特别是刚度较小的一联(第二联),由于这一联位移最大,并影响着相邻联的位移,所以将这一联的转动位移限制在一定范围内是至关重要的.本方案就是将第二联的刚度中心转移到质量中心左侧,并调整8,9,10号桥墩横向刚度以限制其位移值,从统计结果可以看到:墩顶位移和墩底应力都有了明显的改善.因此,对地基土比较软弱的场地,应采取改变制动墩或伸缩缝的位置,并在适当位置将独柱墩改为双柱墩的方法,起到调整刚度分布并限制转动位移的作用,从而改善结构受力4体系刚度最小的一联起控制作用笔者针对连续梁桥横桥向的抗震行为进行分析,在给出墩顶位移和墩顶剪力简化计算方法的基础上,分析了改善桥墩受力的方法.在横桥向,转动位移是影响墩顶位移和墩底应力的重要因素,且等代体系刚度最小的一联起控制作用.所以,调整转角应从这一联着手,使这一联刚度分布比较均匀,从而减小全桥的位移峰值,也就改善了全桥的受力状态.通过对反应谱曲线的分析可知:上部结构对地震力的放大作