钢管混凝土桁架式梁拱组合桥抗震设计

钢管混凝土桁架式梁拱组合桥抗震设计

桥梁抗压设计是一项高度经济和政治的工作。既要保证桥梁在地震中的破坏程度被限制在可以接受的范围内,又要考虑到在抗震设防中的资金投入不要增加过多,这就要求设计者在充分地理解抗震规范的同时,定性地总结出利于结构抗震并且经济可行的结构处理方法。本文依托某高速公路桥梁,为达到上述目的,对其主桥部分桥墩进行抗震简化计算、验算,从而达到上述目的。1主桥墩结构形式及尺寸某高速公路桥梁全长1562.4m,主桥为31.2m+83m+31.2m钢管混凝土桁架式梁拱组合桥,桥梁总体布置及尺寸见图1。主桥墩结构形式为方柱墩,桩基础,主桥墩具体形式及尺寸如图2所示。该地区地震动峰值加速度为0.15g。该桥揭露的地层主要为第四系(Q4al+pl)粉质粘土混碎石、碎石等,第四系厚度1.8～2.0m。下伏基岩主要为寒武系崮山组砾屑灰岩、条带状灰岩等。2验算桥墩的设计意义总体上,抗震下部计算,要求柱底或柱顶潜在的塑性铰区域在E1作用下满足结构强度要求;在E2的作用下结构可以进入塑性状态,如在E2作用下进入了塑性状态,需对除墩柱以外的其它构件按照能力保护构件验算强度(比如墩柱的抗剪,盖梁、桩基的抗弯及抗剪),同时需验算墩顶位移是否满足规范要求;如在E2作用下结构未进入了塑性工作范围,按照E2作用下的内力设计值对所有构件进行强度验算。拱桥且采用盆式支座应为非规则桥梁,本文为了加强对规范理解,采用规则桥梁简化计算方法对此桥进行计算。同时应注意验算桥墩在正常使用情况下是否满足受力要求,有些情况下地震力并非结构的控制因素。具体计算流程如图3:3计算桥的抗疲劳计本次以主墩边柱顺桥向抗震计算为例,对桥墩进行抗震计算,边柱横桥向、中柱顺桥向、中柱横桥向的计算与此类似,本文不再赘述。(1)根据地质资料计算桩基的变形系数桥墩桩径为1.8m,顺桥向计算时考虑沿受力方向为单排桩,与外力相平行的一排桩的根数为2,根据地质资料计算得到桩基的变形系数α=0.546。(2)桩基抗弯刚度ei根据上步中的桩基变形系数,计算出基础出口刚度KPP=3.41×106(kN/m)、KPM=-5.77×106(kN/rad)、KMM=3.92×107(kN·m/rad),注意在计算过程中应对桩基的抗弯刚度EI进行折减,折减系数0.8。(3)抗弯刚度和加速度反应谱根据基础的出口刚度并考虑墩柱的刚度,计算得到墩柱顶面的抗推刚度KS=3.41×106(kN/m)。注意在计算过程中应对墩柱的抗弯刚度EI进行折减,折减系数0.8。支座顶面换算质点重力Gt=12520(kN),计算得到桥墩的基本周期T1=0.81(s)。按照规范及地质条件得到特征周期Tg=0.25(s),从而得到水平设计加速度反应谱S=0.469(m/s2)。得到E1作用下的水平地震力P=587.2(kN),弯矩M=(5872kN·m)。(4)匝道整体刚度考虑上部拱的风载、整体降温、收缩、制动力、支座摩阻力等,以及桥墩的整体刚度计算得到正常使用情况下作用于墩顶的水平力为720kN,弯矩为7200kN·m(支座摩阻力控制)。(5)柱底裂缝验算及不控制设计需要验算:地震力E1作用下,柱底的强度;除地震力组合外的其它荷载组合作用下的构件强度和裂缝。①由于支座摩阻力720kN>水平地震力587.2kN,故无需验算E1作用下的柱底强度。②柱底裂缝验算:支座摩阻力在短期及长期组合中系数均为1,则柱底弯矩为7200kN·m。取用20根Φ32钢筋,裂缝宽度0.153mm。③柱底强度计算:验算支座摩阻力作用下的强度,NR=2.41×104kN≥Nj=1.43×104kN,满足要求。④桩基裂缝验算:考虑群桩基础力的分配,得到桩基弯矩897.7kN·m(此值需乘以桩基最大弯矩修正系数1.232),最小轴向力4913.7kN,桩基计算长度为3.66m,得到裂缝不控制设计,构造配筋即可。⑤桩基强度计算:未计算,不控制设计。⑥承台验算:配筋为2层Φ25钢筋,间距10cm,经验算满足要求。(6)构件强度检测边柱顺桥向柱底截面在E2作用下弯矩为19961kN·m(计算方法同E1的计算),柱底在恒载轴力作用下的抗震屈服弯矩(材料均采用强度标准值计算而得)为19200kN·m,小于E2作用下的柱底弯矩19961kN·m,因此柱底出现塑性铰,柱顶未出现,柱底按照抗震屈服弯矩19200kN·m来计算除柱底弯矩外的其他构件的强度。对墩柱剪切力的评价剪力设计值1.2(超强系数)×19200/柱高=2304kN,需配置2肢Φ16箍筋,箍筋间距10cm。承台强度验算考虑群桩基础力的分配,从而得到用于桩基强度验算的最不利内力组合M=2815kN·m,N=-214kN,以及用于承台强度验算的最大桩基反力N=16151kN。采用40根Φ28钢筋,抗力为-258kN<-214kN,满足要求。台湾强度测试采用2层Φ28钢筋,满足要求。(7)桥墩墩顶位移由于柱底进入塑性工作状态,因此需验算桥墩墩顶位移。按相应的规范计算得到E2作用下的墩顶位移为2.65cm,桥墩容许位移为6.56cm,满足设计要求。(8)确定桩基配筋①墩柱尺寸采用2×2m。②墩柱配筋顺桥向为双向每侧各20根Φ32钢筋,由墩柱裂缝计算控制设计。③桩基配筋结果为采用40根Φ28钢筋,由第二阶段能力保护构件的强度计算控制设计。④承台顺桥向采用2层Φ28钢筋,由第二阶段能力保护构件的强度计算控制设计。4墩柱配合性要求(1)抗震计算的总体原则是,让塑性铰先坏,在越小力的作用下坏掉越好,从而减小其它能力保护构件的设计弯矩。(2)遵从以上原则,墩柱的配筋在满足正常使用及E1作用下的受力要求基础上,应尽量减少墩柱主筋配筋率,以降低抗震屈服弯矩设计值。(3)应采取必要的措施降低水平加速度反应谱S值,从而减小E1、E2地震力作用下的结构受力。采取的措施包括:改变基础出口刚度(例如群桩及单排桩的选择、采用合理桩径等)、采用合理的柱径、支座的选择(盆式支座较刚、橡胶支座较柔)等。5结构尺寸及配筋桥梁