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1、郑州大学土木工程学院硕士研究生课程论文课程名称 抗震工程学 学 时 学 分 姓 名 张兴达 主讲教师 王建强 指导教师（若已选导师则填，否则不填）年 级 2014 学 号 z201421409 供职单位 河南省交通规划勘察设计院 联系电话13653973941 Email 提交日期 2014.12.23 浅论高墩桥梁抗震措施摘要:为研究高墩桥梁抗震措施,以某高墩桥梁为例进行分析。建立该桥所有联的线弹性计算模型,进行动力特性分析和反应谱分析。分析结果表明:支座顶面与梁底面发生了相对滑移,支座剪切变形较大,存在落梁隐患。在该桥上设计合适的顺桥向连梁装置、横向弹塑性挡块等抗震措施后,通过非线性时程
2、分析验证其抗震效果。分析结果表明,采用的抗震措施可有效地控制墩顶位移、减小地震反应。关键词:连续梁桥;高桥墩;抗震;反应谱法;非线性;时程分析法Study of Seismic Resistance Measures for High-Rise PierBridges Located in High Intensity Seismic RegionAbstract:To study the seismic resistance measures for high-rise pier bridges located in highintensity seismic region,a high-r
3、ise pier continuous girder bridge in the region was cited as an example and analyzed.The linear elastic calculation models for all continuous units of the bridge were built and the analysis of the dynamic behavior and re-sponse spectrum was performed.The results of the analysis show the relative sli
4、p at the top of the bearings and at the bottom of the girder of the bridge takes place,the shear deformation of the bearings is great and the potential danger of fall of the girder exists.After the seismic resist-ance measures,such as the appropriate longitudinal girder link devices and the transver
5、se elastic stopping blocks,are designed for the bridge,the effect of the measures has been verified by the nonlinear time-history analysis and the results of the analysis show that the measures can effec-tively control the displacement atop the piers and reduce the seismic response.Key words:continu
6、ous girder bridge;high-rise pier;seismic resistance;response spectrum method;nonlinearity;time-history analysis method1前言随着我国高等级公路建设的发展,高烈度地震区高墩桥梁日益增多。高墩桥梁受震害后修复困难,影响地震后生命线的畅通,将给地震区带来严重的次生灾害14。目前,国内外尚缺乏高墩桥梁经受高烈度地震的经验,而现有的大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于常规桥梁抗震分析,我国公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)5规定墩高超过30 m的桥梁应作专项研究。以
7、处于高烈度区(设防烈度8.5度)的一座大桥为例,分别进行了反应谱分析与非线性时程分析,研究了高墩桥梁在高强度地震作用下的地震反应特点,提出2种抗震措施,并采用非线性时程分析法验证其抗震效果。2工程概况及地震动参数某高地震烈度区大桥上部结构为40 m跨分离式双幅先简支后连续T梁,单幅桥面宽12.25 m。大桥4跨一联,共设置4道伸缩缝,分别位于P1、P5、P9和P13号墩对应的T梁位置,桥型布置见图1。大桥P1、P4、P5和P13号墩采用C40混凝土双方柱墩,P2、P3和P6P12号墩由于地面横坡较大,均采用C50混凝土独柱式空心薄壁墩6,其中P2、P3号桥墩高达70 m。桥址处地震设防烈度为8
8、.5度,50年10%超越概率峰值加速度为0.304g。地震输入采用“顺桥向+竖向”和“横向+竖向”2种组合方式,竖向地震峰值加速度取相应水平向峰值加速度的2/3。反应谱分析的场地加速度反应谱见图2;时程分析时,分别采用3条场地设计地面水平地震动加速度时程曲线,分析结果取3组反应谱的平均值,其典型加速度时程曲线见图3。3动力特性分析分析和认识桥梁的动力特性是进行抗震性能研究的基础。建立全桥线弹性计算模型(图4)进行动力特性分析。主梁和桥墩均采用空间梁单元模拟,通过在桩身梁单元上施加侧向土弹簧来模拟桥墩的桩-土相互作用,弹簧刚度采用m法计算7;采用专门的连接单元模拟圆板式橡胶支座的弹性连接作用,墩
9、顶处相邻跨桥面先简支后连续构造采用专门的连接单元进行模拟。结构动力特性主要表现在前几阶自振频率和振型,表1列出了大桥前10阶振型及振动频率。表1数据表明,振动形式主要以桥墩的顺桥向、横向振动为主,主要原因在于该桥桥墩普遍较高,结构相对较柔,桥墩顺桥向、横向刚度较小。4反应谱分析对该桥线弹性计算模型进行反应谱分析,图6为结构在2个输入方向组合下单个支座剪切力最大值。由计算结果可知,由于支座顶面、底面与梁底和盖梁顶均未设置连接措施,在地震动作用下,大部分支座的顺桥向弹性剪切力和部分支座的横向弹性剪切力均超出了对应的临界滑动摩擦力,其顶面与梁底面将发生相对滑移,且支座剪切变形较大(其中P1号墩顺桥向
10、变形达0.20 m,横向达0.19 m),存在落梁隐患,应采取必要抗震措施。5抗震措施为了减小地震效应,加强结构的整体性,提出了2种抗震措施。5.1顺桥向连梁装置为防止伸缩缝两侧相邻梁端相对墩顶盖梁顺桥向位移过大而造成落梁,在各伸缩缝处相邻两梁端之间拟设置由精轧螺纹钢筋(直径32 mm)、配套螺帽和弹性橡胶垫块组成的顺桥向连梁装置(图6),其设计参数及布置情况见表2。5.2横向弹塑性挡块为防止桥梁上部结构相对桥墩盖梁发生过大的横向位移而引起落梁事故,在各桥墩盖梁顶面横向两侧设置了由钢型材制作的横向弹塑性挡块(图7),其设计参数及布置情况见表3。6非线性时程分析反应谱分析只能反应线弹性结构的线弹
11、性效应,一旦结构出现非线性效应,如支座滑移、墩柱开裂、碰撞等现象,反应谱分析的结果就不准确,此时应采用非线性动力分析方法以全面反应结构的非线性特性。该桥非线性时程分析主要考虑了顺桥向连梁装置、横向弹塑性挡块、支座滑动和伸缩缝等非线性因素对结构地震反应的影响。为了考察顺桥向连梁装置和横向弹塑性挡块的抗震效果,考虑2种工况进行非线性时程分析。工况1,桥梁未安装顺桥向连梁装置、横向安装混凝土挡块;工况2,桥梁安装顺桥向连梁装置和横向弹塑性挡块。6.1计算模型6.1.1顺桥向连梁装置模拟顺桥向连梁装置使用拉伸间隙单元进行模拟,其力位移关系见图8。相邻梁端顺桥向分离运动的间隙值取该装置所处伸缩缝宽度的0
12、.5倍;顺桥向弹性约束刚度K计算公式为8:1/K=1/Ks+1/Kp式中,Ks为限位螺帽之间精轧螺纹钢筋的轴向刚度;Kp为限位螺帽之间两侧橡胶垫块的串联轴向刚度。6.1.2横向弹塑性挡块模拟横向弹塑性挡块近似采用理想弹塑性连接单元进行模拟,其与梁体接触点的力变形滞回曲线见图9。其中滞回曲线的屈服力Fy和屈服变位y由挡块的几何构造和材料力学性质计算分析得到。6.1.3支座滑动摩擦模拟对支座与梁底之间的纵、横向滑动摩擦近似采用理想弹塑性连接单元进行模拟,其典型滞回曲线见图10。滞回曲线屈服力Fy(即滑动起始摩擦力)取支座恒载轴压力N乘以动摩擦系数。6.1.4伸缩缝模拟地震作用下伸缩缝位置相邻梁端可
13、能发生弹性碰撞,故采用接触单元对其进行模拟。伸缩缝接触单元的力位移关系见图11。相邻梁端顺桥向合拢运动的间隙值取该装置所处伸缩缝宽度的0.5倍;顺桥向弹性碰撞刚度K取伸缩缝构造顺桥向压密后的弹性刚度。6.2非线性时程分析结果6.2.1墩顶位移工况1、2的墩顶位移比较见表4。由表4可知,工况2由于考虑了顺桥向连梁装置、横向弹塑性挡块等措施后,墩顶的纵、横向位移均明显小于工况1;同时,工况2由于在各联之间设置了顺桥向连梁装置,在地震作用下,各联各墩之间的变形一致性相对很好,各墩中心的变形值在0.220.26 m之间。6.2.2墩底内力工况1、工况2的墩底截面最不利弯矩见表5。由表5可知,工况2第一
14、联P2P5号墩墩底顺桥向弯矩相比工况1有所降低,第二、三联桥墩顺桥向弯矩则有所增加,主要原因是工况2采用的顺桥向连梁装置对每联起到了连接作用,使得墩高较高的第一联与其他联之间存在内力重分布。工况2墩底横向弯矩普遍小于工况1,主要原因是工况2采用的弹塑性挡块传递给墩身的横向剪力总是等于其屈服荷载,可对墩身在横向受力上形成能力保护,减小了桥墩横向地震反应。7结论高墩桥梁在强震作用下具有明显的非线性特征,按规范规定的线弹性反应谱法计算分析已不能满足结构安全要求,因此对于高墩桥梁结构,应采用能够考虑高桥墩结构特性、构件各种非线性特征的非线性时程分析方法。选取合适的横向弹塑性挡块,可有效地控制各墩顶横向
15、位移,对墩身在横向受力上形成能力保护,减小桥墩横向地震反应。通过本文的分析,可以得到如下结论:(1)反应谱分析结果显示,高墩桥梁在强震作用下支座顶面与梁底面易发生相对滑移,且支座剪切变形较大,存在落梁隐患,有必要设置纵向连梁装置与横向塑性挡块等抗震措施。(2)选取合适的纵向连梁装置,可有效控制各墩顶纵向位移,且各联各墩之间的变形一致性较好,但需注意高墩与矮墩之间的内力重分布对矮墩造成的不利影响。参考文献(References):1李睿,俞进,杨忠恒,等.山区梁桥高墩的抗震概念设计J.铁道标准设计,2007,(3):30-32.(LI Rui,YU Jin,YANG Zhong-heng,et al.Conceptual De-sign of Seismic Resistance of High-Rise Piers for MountainousRegion Girder BridgesJ.Railway Standard Design,2007,(
