昆明东北二号立交系统抗震设计

昆明东北二号立交系统抗震设计

2008年10月1日，国家发布了jtgtb02-01-2008年道路桥梁的防滑设计细则（以下简称“08防滑细节”），而原jtj04-1989《道路防滑设计规范》（以下简称“规范”）的相应部分对桥梁的设计和施工提出了更严格的抗疲劳动要求。1新旧抗疲劳标准的比较1.1《05抗震准则》及《选用的抗震设计法《规范》采用一阶段设计,即弹性抗震设计,假定结构是弹性状态,采用“综合影响系数”来反映弹塑性动力特性,但没有进行必要的延性抗震设计。《08抗震细则》采用二阶段设计法进行抗震设计。抗震设防目标A类桥梁:中震不坏,大震可修;B、C类桥梁:小震不坏,中震可修,大震不倒。第一阶段的抗震设计,即E1地震作用的抗震设计,采用弹性抗震设计;第二阶段的抗震设计,即E2地震作用的抗震设计,采用延性抗震设计方法,并引入能力保护设计原则,确保塑性铰只在选定的位置出现,不出现剪切破坏,即不出现脆性的破坏模式。1.2抗震设计及复核根据目前积累的大量震害情况及理论研究成果,对于规则桥梁,采用简化公式计算方法已能较准确地反映地震动力响应特性,满足规范要求的预期抗震设计性能目标,因此,可以采用《08抗震细则》的简化公式计算方法计算出地震力作用下的水平地震力来进行抗震设计及复核。对于规则桥梁水平地震力简化计算公式,《08抗震细则》只采用新的重要性系数作为设计地震动参数,来替代《规范》采用重要性系数及综合影响系数共同考虑的设计地震动参数,其值与《规范》基本相当。《08抗震细则》增加了由场地类型及抗震设防烈度共同调整的场地系数Cs,并采用场地类型及区划图上的特征周期共同调整的桥址反应谱特征周期Tg,注重考虑不同桥址场地条件对地震的显著影响,更客观地反映各种因素对地震的影响。《08抗震细则》以重现期为475a的地震动加速度峰值A为基准,即中震(重现期475a)的抗震重要性系数Ci取1.0,来考虑不同的抗震重要性系数Ci(见表1),以完成各桥梁类型下的两阶段设计及水平设防目标。1.3抗侧墩柱延性地震中导致桥梁破坏的主要原因有:墩柱不具备足够的延性能力发生弯曲破坏或抗剪能力不足产生剪切破坏;基础失效导致桥梁破坏。为了防止以上情况的发生,《08抗震细则》强调充分发挥墩柱的延性能力,塑性铰的位置选择在墩柱上,墩柱可以发生弹塑性变形,耗散地震能量;桩基础如发生损伤,将难以发现并且维修困难,故需保证其在墩柱达到塑性变形时仍处于弹性状态,且墩柱塑性铰区域不发生剪切破坏,即基础及抗剪强度要满足能力保护构件要求。2工程抗疲劳工程的实例分析2.1风对梁板结构的设计昆明东北二环立交系统工程属于城市大型复杂立交系统,处于地震断裂带上,故抗震设防等级较高,需对桥梁进行严格的抗震计算及设计。本工程结构形式(包括混凝土现浇连续箱梁及钢结构连续箱梁、各联跨径组合、桥面宽度、上部梁高种类)较多,桥梁高度起伏较大,各类型墩柱刚度差异较大,所以,设计过程中需筛选控制性结构进行桥梁抗震分析,考虑各种可能出现的最不利情况。本工程根据《08抗震细则》进行抗震分析,主要工作有:计算结构(节段)选取、结构抗震计算、能力保护构件设计和抗震构造措施设计。其中,计算结构的选取是整个设计的前提。2.2槽内地震作用复核本工程采用《08抗震细则》的反应谱方法,即简化公式计算方法进行计算及复核,分别考虑水平顺桥向和水平横桥向的地震作用。上部构造为连续梁结构;中间墩柱采用固定盆式支座,其余墩采用单向或双向盆式支座。因此,一联结构顺桥向地震力由固定支座墩承受,横桥向地震力由一联内各个墩共同承受。2.3地震反应谱特征本工程所在地区的抗震设防烈度为8度,抗震设防类别为B类桥梁,E1地震作用下抗震重要性系数Ci为0.43,设计基本地震动加速度峰值A为0.20g,场地为Ⅲ类建筑场地,区划图上的特征周期为0.40,地震反应谱特征周期Tg为0.55s,场地系数Cs为1.2。2.4结构体系分析本工程结构以各伸缩缝为分界点,可分为若干独立的子结构。对于特大型立交系统而言,往往可细分为几十甚至上百段子结构,但实际结构分析中,不可能也无需逐段进行抗震分析,应根据设计意图、相似结构及地震动特点,选择具有代表性的若干子结构进行抗震分析,得到一般性结论。表2中结构基本代表了本工程中出现的各类桥段情况,具有典型性。结构类型划分的影响因素包括桥宽、一联长度、一联最大跨度、固定墩高度。这些影响因素都能单独影响抗震设计,综合考虑又有许多种组合,为了使设计工作简化明确,先以单个最主要的控制因素来初步假定墩柱尺寸,再综合其余因素进行截面复核。考虑到墩柱尺寸与桥宽的比例协调性及美观统一性,采用桥宽作为初始控制指标。在相同桥宽下,顺桥向最不利地震力由最大联长控制,横桥向最不利地震力由最大跨度控制。2.5梁桥基础变形刚度计算公路桥结构的基本周期本文以单柱墩为分析对象,采用《08抗震细则》的简化公式计算方法得出顺桥向作用于支座顶面及横桥向作用于上部构造质量重心上的地震力。公式中“桥墩的自振周期T”根据《08抗震细则》的梁桥结构基本周期的近似公式得出。公式中顺桥向作用于支座顶面或横桥向作用于上部构造质量重心上的单位水平力在该点所引起的水平位移δs、基础顶面的水平位移,按照JTGD63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》中“m法计算弹性桩水平位移及作用效应”计算得出。根据公式得出的顺桥向和横桥向地震作用效应与永久作用效应组合后,按现行的JTGD62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中偏心受压构件的规定验算弹性状态下桥墩的强度,确定墩柱的纵筋配置。2.6环境保护组件的设计1桩基础计算结构单柱墩的底部区域为潜在塑性铰区域,根据E1地震作用计算而确定的配筋,采用材料强度标准值和最不利轴力计算得出顺桥向及横桥向极限弯矩值(考虑超强系数Ф°),然后在此弯矩值、相对应的剪力值及轴力值的作用下,选择合适的桩基础直径及组合,使得桩基础保持弹性状态,按JTGD63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》验算桩基础的承载能力。本立交工程桩基础计算结构同样存在多因素影响性:极限弯矩对应的弯矩值由墩柱配筋(墩柱尺寸)确定;极限弯矩对应的剪力值与墩柱高度有关;极限弯矩对应的轴力值与桥宽、跨数及跨径有关。为了简化计算工作,同样采用“关键控制因素假定法”来选取有代表性的计算结构。由于桩基础除了需满足抗弯强度要求外,还需满足竖向承载力要求,因此采用竖向承载力要求来初步假定桩基础直径及组合。由竖向承载力因素得出:13、17m桥宽主线桥梁的固定墩位置桩基础需采用3桩或4桩及以上群桩基础,验算其强度能满足能力保护构件设计要求。9.5m、8m桥宽匝道桥梁的固定墩位置桩基础采用双桩基础,需根据不同轴力值(由跨数及跨径控制)及剪力值(由墩高控制)组合选取计算结构,验算其强度是否满足要求;如不满足,需增大桩径或加大配筋直至其强度满足要求。2确定最佳弯矩范围根据E1地震作用计算而确定的配筋,采用材料强度标准值和最不利轴力计算得出顺桥向及横桥向极限弯矩值(考虑超强系数Ф°)。在此弯矩值及相对应的剪力值作用下,进行墩柱塑性铰区域的箍筋配置,并按《08抗震细则》验算墩柱的抗剪强度。3不同因素对抗强计的影响3.1回用果不同为了研究不同墩高对墩柱自振周期、墩顶地震力及墩底弯矩的影响,在上部结构及墩柱尺寸(2.0m×1.4m)相同的情况下,分别取墩高H=5、7.5、10、12.5、15、17.5、20、22.5、25、27.5和30m进行计算,其分析结果如表3所示。由表3可知,墩柱的自振周期随着墩高的增大而增大。这是因为在相同截面尺寸下,墩柱越矮刚度越大,周期越小,而墩柱越高(即越柔),周期越大;墩顶水平地震力随着墩高的增大而减小,这是因为地震力与周期成反比,墩柱越柔地震力越小。地震力产生的墩底弯矩值与墩高有关系,规律有所不同。从图1中可明显地看出,对于顺桥向,墩底弯矩值基本是随着墩高的增大而减小,呈现平顺递减走势;对于横桥向,墩底弯矩值随着墩高的增大先递增再递减,在墩高10m处弯矩值最大。在大型立交工程中,相同桥宽及跨径结构一般存在许多种类墩高,如何选取控制性墩高进行抗震计算及设计是一个重要的问题。从以上研究分析可得出:对于顺桥向,选取高宽比为3.75时的墩高,其墩底弯矩值为最不利值;对于横桥向,选取高宽比为5时的墩高,其墩底弯矩值为最不利值。3.2参数截面尺寸为了研究不同截面墩柱尺寸对墩柱自振周期、墩顶地震力及墩底弯矩的影响,在上部结构及墩柱高度(15m)相同的情况下,分别取墩柱截面尺寸为2.8m×1.4m、2.0m×1.4m、1.8m×1.4m、1.5m×1.4m进行计算,其分析结果如表4所示。由表4可知,对于某一特定桥宽、跨径结构及墩高的桥梁,墩柱截面尺寸的选择是一个复杂的问题。选择较大截面(刚度较大,墩底弯矩就较大),使得E1地震作用下的墩柱纵向配筋增加,其极限弯矩值也越大,能力保护构件如基础构件的尺寸也将越大;选择较小截面,墩底弯矩减小,但截面尺寸较小,可能使截面配筋率过高。因而,对这种循环相互影响的问题,需通过墩柱截面尺寸的初步假定来试算确定。4梁端至墩柱边界层防护1)选择合适的墩柱截面。截面过小,E1地震作用下抗弯强度不满足;截面过大,将会引起墩柱极限承载力过大,导致基础构件尺寸过大。2)一联桥梁中,特别是接桥台的那一联结构,不宜选择矮墩作为固定支座墩。这是因矮墩刚度较大,对结构抗震不利。3)边梁梁端至墩柱边缘应有一定的距离,以防止地震作用下发生纵向落梁。4)桥墩与上部构造之间设置钢筋混凝土横向限位挡块或钢锚栓,以防止地震作用下横向位移过大引起落梁。5)桥台背墙与梁端间设置橡胶垫块,以缓和水平地震荷载的冲击。6)立交工程采用抗震型盆式橡胶支座,可增大支座的耗能能力,达到一定的抗震效果(但在选择墩顶尺寸时,应核算支座尺寸是否超出墩顶尺寸)。7)单柱墩底部塑性铰区域为箍筋加密区,加密区长度取墩柱截面的长边尺寸或H/5(H为墩高)两者中的大值,加密箍筋间距取10cm,直径及肢数由墩柱抗剪强度验算确定。8)独柱墩下结点与承台连接处应保持垂直墩柱配筋和横向箍筋的连续性,防止薄弱结点在地震中的破坏