山区PC箱梁桥墩柱抗震性能加固研究

赵汗军

(山西交科公路勘察设计院有限公司 太原市 030032)

由于山区复杂地形条件限制,山区桥梁墩高和墩高差较一般桥梁需求更高。根据相关调研结果,墩高40m以上的桥梁占比超过40%[1]。然而,我国许多山区桥梁处于地震活跃带,地震烈度高,地震动作用影响使得高墩桥梁位移响应需求更大,结构间的碰撞效应、落梁风险也相应增加。2008年,汶川发生8.0级大地震,山区桥梁大面积损伤破坏不仅延缓抗震救援进度,更严重威胁人民生命财产安全[2-3]。因此,文章依托某山区桥梁,分析同联内不同墩高差与不同墩柱配筋率对结构抗震性能的影响,以期为类似工程提供参考。

山区高墩桥梁的抗震设计,主要包括桥型整体设计、桥梁位置选择、桥墩构造选型和设计等环节。《公路桥梁抗震设计规范》(JTG/T 2231-01―2020)[4](以下简称“《规范》”)规定,桥梁抗震体系应有稳定可靠的传力路径、合理的能量耗散部位以及明确可靠的位移约束,除此之外,还应该有效避免因个别构件的破坏而导致整体结构倒塌。鉴于山区高墩梁桥桥墩高、位移响应大、碰撞效应明显等地震动反应特点,山区梁桥结构抗震性能提升设计除应注意桥梁选址、上下部结构形式及其连接方式、耗能部位选择等总体设计外,还应注意控制墩顶位移量和下部桥墩之间的刚度平衡,防止矮墩剪切力过大发生脆性破坏以及主梁与墩柱之间位移差过大而破坏落梁等情况发生。根据相关研究[5-7]及《规范》第3.3.3条,以抗震合理概念设计原则出发,编制如图1所示研究技术路线图,在此以墩柱参数为例展开研究。

图1 研究技术路线图

研究依托的工程案例为西部山区某梁桥。采用Midas模拟软件,分析方法为反应谱法和弹塑性时程分析法。

2.1 工程概况

依托工程是荷载等级为一级的公路桥,主梁为连续箱梁,支座为普通盆式橡胶支座,桥墩为双柱式方形桥墩,基础为桩基础,主梁内预应力钢束为1860型钢绞线。工程Midas模型图如图2所示,其中方形墩尺寸为2.2m×2.2m,墩高随地形变化较大,系梁随墩高每隔10m一布置。支座布置示意图见图3。

图2 依托工程Midas模型图

图3 支座布置示意图

2.2 计算方法与设计反应谱

文章分别采用反应谱法、Pushover推倒分析和弹塑性时程分析法,分析依托工程在不同墩高差和不同墩柱配筋率下结构的抗震性能[8-9]。根据《规范》第6.1.3条和6.1.4条规定,该桥属于规则桥梁,E2地震作用下可以采用SM法或MM法分析计算。为了更加准确地预测和研究结构的地震行为,文章还采用了非线性时程分析法。根据设计资料参数,计算模型的E2反应谱如图4所示。

图4 设计反应谱值

2.3 模拟方法

根据结构设计参数以及《规范》第6.2条对结构建模原则的建议和抗震概念设计要求,墩柱和梁体均采用空间杆系单元建模,墩柱约束考虑为固结,支座采用滞后系统模拟。墩柱纵向钢筋布置及纤维分割如图5所示。

图5 墩柱纵向钢筋布置及纤维分割图

2.4 工况设定

墩柱配筋率按照《规范》第8.2.4条建议设定,墩高差根据地形趋势设定,墩柱配筋率和墩高差工况设定见表1。

表1 工况类型及设定

结构在水平双向E2反应谱下的剪力结构反应见图6,图中桥墩从左至右依次编号为1#～4#。反应谱荷载工况荷载组合取为:一期恒载+二期恒载+预应力+反应谱荷载(SRSS)。

图6 工况三墩柱剪力分布图

图6展示了边中墩墩高差为30m时各墩柱之间的剪力分布。具体结果见表2。

表2 各工况剪力分配表 单位：kN

由图6和表2可知,随着边中墩墩高差增加,相比于高墩,矮墩的高剪力分配值更加明显。根据表1,墩高差从10m提升至30m时,4#矮墩纵向剪力值从1745kN提升至3177kN,提升幅度达82.1%。

E2反应谱下墩柱的位移响应情况如图7和表3所示。

表3 各工况墩柱位移分布情况表 单位：mm

图7 工况三墩柱纵向位移分布图

由图7和表3可知,随着边中墩墩高差增加,地震作用下位移在联内各墩分布的不均匀性也会增加。计算显示,墩高差为10m时,边中墩位移差值为46mm;墩高差为30m时,边中墩位移差值则增加到121mm。

综上可知,同一联内墩高差不易过大,否则将极大增加结构纵、横向刚度分布的不均匀性,矮墩承受过大水平荷载,高墩产生较大位移变形,影响结构的整体抗震性能。如受山区地势差距过大等条件因素限制,宜采用橡胶支座等合理的支座类型调节各墩之间的刚度差距。

基于反应谱下的不同墩高差分析,考虑地形条件限制,采用不同墩高差工况进行不同配筋率影响计算分析。

4.1 地震波选取

根据所在场地类型,选取地震波特征周期Tg为0.456s,持续时间为37.82s的EL Centro(310 Deg)地震波,并按1:0.85双水平向输入,经峰值调整后的纵向加速度波形如图8所示。

图8 EL Centro(310 Deg)地震波

4.2 Pushover单墩推倒分析

恒载作用获得2#墩单侧支座反力为3524kN后,利用Midas软件的Pushover模块建立如图9所示推倒模型。

图9 Pushover单墩推倒模型

分析结果显示,从工况一至工况四,即纵筋配筋率从0.009达到0.0156时,2#墩的屈服弯矩由24690kN·m增加至36662kN·m,同时极限曲率也相应增加。但在单侧根数减少至12根及以下时,会出现类似梁的“少筋”现象。可见适当增加墩柱的纵向钢筋配筋率可以提升结构抗弯承载力和极限曲率。文章选择在单侧纵筋数量20根,配筋率为1.29%的情况下进行时程分析。经过三次迭代,Pushover结果显示,工况二配筋率下的横向极限曲率为0.109rad/m,墩顶的容许位移为0.356m,横向屈服弯矩稳定在70607kN·m左右。

4.3 时程分析

实测地震波作用下,各墩墩底弯矩响应值详见表4。

表4 工况二下各墩墩底弯矩响应值 单位：kN·m

由表4可知,2#墩因一侧支座固结,在地震波作用下表现出较大的弯矩响应值,但各墩墩高差距不大,因此墩柱刚度差距不大,最大弯矩差值未超过1100kN·m,符合抗震设计要求。

文章选取2#一侧支座固定墩作为控制截面进行阐述分析。

4.3.12#桥墩墩顶位移响应结果

2#墩墩顶位移时程图如图10。

图10 2#墩墩顶位移时程图

由图10可知,不考虑桥台或相邻联之间的纵向约束作用时,直线梁桥墩顶的纵向位移比横向位移响应更大,达到了68mm。由此得出,高烈度地区桥梁遭遇地震时,直桥梁端易发生碰撞效应,同时可能存在落梁风险,应提前采取减隔震措施。横向最大位移响应仅为25mm,未超过墩顶容许位移0.356m。总体而言,墩柱配筋率在1.29%时,结构位移响应控制良好。

4.3.22#桥墩墩顶及墩底弯矩响应结果

2#墩墩底弯矩-曲率响应值见图11。

图11 2#墩墩底弯矩-曲率响应值

图11中,2#墩纵向弯曲曲率响应与横向数值接近,纵向略高,最大值达到了0.00014rad/m,但小于单墩推倒分析得到的横向极限曲率值,其值为0.109rad/m。2#墩横向弯矩响应为6591kN·m,未达到单墩推倒分析时的首次屈服弯矩68328kN·m,更未达到屈服弯矩70607kN·m。可见墩柱配筋率在1.29%时,墩柱损伤轻微,抗震效果良好。

4.3.32#桥墩墩顶、墩底纤维截面分析结果

墩顶(左)、墩底(右)纤维截面分析结果见图12。

图12 墩顶(左)、墩底(右)纤维截面分析结果

图12中,浅色区域代表开裂,深色区域代表弹性。可见在设计地震荷载作用下,2#桥墩墩底截面将大面积开裂,塑性状态表现明显,但均未达到钢筋屈服强度。

综合图10～图12计算结果,边中墩墩高差为10m,配筋率为1.29%时,符合《规范》规定配筋率介于0.006～0.04的要求,结构桥墩地震动响应均不会超越位移、曲率限值,结构抗震性能良好。根据其他工况配筋率下的时程分析结果可以发现,该工程配筋率介于0.01～0.02,结构的抗震性能表现良好。

(1)进行抗震设计时,联与联之间的刚度比不宜过大,同一联内桥墩墩高差也不宜设置过大,否则将导致墩柱间刚度不均匀,进而影响结构抗震性能。研究结果显示,矮墩剪力响应大,高墩位移响应大。若受现实条件约束,应选择合理支座类型以调节各墩间的刚度差距。

(2)墩柱配筋率直接影响材料的本构关系。适当提高配筋率可以提升墩柱的抗弯承载力和极限曲率等抗震性能。研究依托工程取配筋率为1.29%时,桥梁结构表现出良好的抗震性能,同时符合《规范》规定的配筋率介于0.006～0.04的要求。

(3)墩柱弹塑性纤维时程分析结果表明,固定墩的墩顶、墩底和系梁与墩柱节点处易进入弹塑性状态,因此,为满足结构地震动强度和延性需求,建议对塑性铰区进行箍筋加密处理。

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