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高烈度区地震液化场地梁桥抗震设计方法研究

更新时间:2016-07-05

0 引言

志成道泰兴路立交工程地处天津市河北区和北辰区交界,志成道主线桥需跨越泰兴路及地铁五号线,桥跨布置为:38 m+2×50.5 m+38 m预应力混凝土现浇箱梁。本桥中墩设置HDR高阻尼隔震橡胶支座,边墩设置活动型球型钢支座。桥址处场地抗震基本烈度为8度,设计基本地震动加速度0.20 g,场地5-3粉土、6-3粉土为地震液化场地,液化等级中等。根据《城市桥梁抗震设计规范》,该场地属建筑抗震属不利地段。

1 地震液化场地

液化是指地震中覆盖土层内孔隙水压急剧上升,一时难以消散,导致土体抗剪强度大大降低的现象。多发生在饱和粉细砂中,常伴随喷水、冒砂以及构筑物沉陷、倾倒等现象[1,2]。根据地震反应分析与振动台试验,地面加速度最大时刻出现在液化土的孔压比为小于1(常为0.5~0.6)时,此时土尚未充分液化,只是刚度比未液化时下降很多,因此需对液化土的刚度作折减。液化土中孔隙水压力的消散往往需要较长的时间。地震时土中孔压不会排泄消散,往往于震后才出现喷砂冒水,这一过程通常持续几小时甚至1~2 d,其间常有沿桩与基础四周排水现象,这说明此时桩身摩阻力已大减,从而出现竖向承载力不足和缓慢的沉降。桩基理论分析已经证明,地震作用下的桩基在液化土层交界面处最易受到剪、弯损害。日本1995年阪神地震后对许多桩基的实际考察也证实了这一点,在桥梁抗震分析中需考虑桩土的共同作用。因此当桩基内有液化土层时,液化土层的承载力(包括桩侧摩阻力)、土抗力(地基系数)、内摩擦角和内聚力等,可根据液化抵抗系数予以折减[4,5]

2 桥梁支座的选型

中、小跨径梁桥支座一般以板式橡胶支座和盆式支座为主。在承载力满足要求的前提下,采用板式支座可使得每个桥墩纵、横向承受的地震力均较为均匀,内力最大峰值显著减小;采用盆式支座则滑动支座位置处桥墩受力极小,固定支座位置处桥墩受力极大,难以满足抗震计算。因此在满足承载力要求的前提下,高烈度区中、小跨径梁桥优先选用板式橡胶支座。

在高烈度地震区,普通板式橡胶支座的容许剪切位移较小,难以满足E2地震下的位移和受力要求,且板式橡胶支座仅靠摩擦作用,支座在地震下有可能滑移、破坏或失效,易发生落梁。

相对于普通板式橡胶支座,HDR高阻尼隔震橡胶支座隔震性能好,与主梁、墩台有效连接,满足更大的水平位移量,橡胶保护层厚,耐久性好。地震分析结果说明:在高烈度地震区,采用普通板式桥梁,支座本身的厚度及抗滑稳定性难以满足要求,在E2地震作用下,支座存在被剪断、或滑移导致上部结构落梁的风险;而采用隔震橡胶支座后,通过隔震橡胶支座滞回耗能减震,使得每个桥墩纵、横向承受的地震力均较为均匀,内力最大峰值显著减小,取得了优异的减隔震效果。

经计算,延性桥墩剪力设计值小于桥墩截面抗剪承载力,剪切验算满足规范要求。

(2)由支座剪切变形反算支座水平等效刚度K h1

3 HDR高阻尼隔震橡胶支座水平等效刚度的迭代求解

减隔震桥梁水平地震力的计算,可采用反应谱分析法和非线性动力时程分析法。由于弹性反应谱分析方法比较简洁,在一定条件下,使用该分析方法进行减隔震桥梁的分析可得到较理想的计算结果,因此,反应谱分析是减隔震桥梁分析中一种十分重要的分析方法[1]。但是减隔震装置是非线性的,在初设分析时,减隔震装置的位移是未知的,因而其等效刚度也是未知的。因而等效刚度的确定是一个迭代过程[3]。迭代计算过程如下:

(1)采用HDR高阻尼隔震橡胶支座双线性恢复力模型水平等效刚度K h作为初设刚度,进行反应谱分析。求解HDR高阻尼隔震橡胶支座剪切变形。

本文推荐高烈度区中、小跨径梁桥采用HDR高阻尼隔震橡胶支座。

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(3)若K h与K h1的差值在给定的误差范围内,则刚度计算结束。若K h与K h1的差值超出给定的误差范围,则采用K h1替代K h重新迭代计算,直至差值在给定的误差范围内。

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4 志成道泰兴路立交桥抗震分析

桥梁动力特性分析是研究桥梁振动问题的基础,志成道泰兴路立交桥动力特性见表1,前4阶振型见图2~图5。

(2)支座验算

分析模型考虑桩土的共同作用,利用“m”法计算桩基各节点的水平向约束刚度,桩端竖向固定约束。其中液化土层的m值按照要求进行折减。5-3粉土土层液化折减系数α为0;6-3粉土土层液化折减系数α为1/3。

图1 有限元模型

本工程为城市快速路桥梁,桥梁抗震设防分类为乙类。抗震设计采用反应谱分析方法。本工程采用Midas有限元软件进行仿真分析(见图1),计算模型中的梁体和墩柱采用梁单元模拟;混凝土结构的阻尼比按0.05取值;HDR高阻尼橡胶支座在E1地震作用时采用一次刚度,E2地震作用时采用等效迭代刚度。

表1 志成道泰兴路立交桥动力特性

模态号频率/(cycle·s-1)周期/s振型描述1 0.59 1.69 纵向滑动2 0.83 1.20 横向滑动3 1.31 0.76 反对称横向弯曲4 1.95 0.51 反对称横向弯曲

图2 第1阶振型图(纵向滑动)

图3 第2阶振型图(横向滑动)

图4 第3阶振型图(反对称横向弯曲)

图5 第4阶振型图(反对称横向弯曲)

E1地震作用反应普函数见图6。

图6 E1地震作用反应普函数

经计算,桩基轴心受压承载力及偏心受压承载力均满足规范要求。

图7 E1地震作用下的桥墩弯矩

经计算E1地震作用下,结构在弹性范围内,未出现塑性铰。满足规范要求。

E2地震作用反应谱函数见图8。

图8 E2地震作用反应谱函数

E2地震作用下的桥墩弯矩见图9。

图9 E2地震作用下的桥墩弯矩

经计算E2地震作用下,桥墩不满足承载力要求,出现塑性铰。桥墩刚度将显著减小。因此计算模型需对桥墩刚度进行折减,按照MANDER本构进行桥墩出现塑性铰之后的刚度折减计算。根据弯矩-曲率曲线计算,桥墩进入塑性后,其抗弯刚度为原桥墩刚度的0.32倍。

修正计算模型中的桥墩刚度后,再进行相关验算。

墩顶容许位移的验算:墩顶最大位移为14.8 cm,小于容许位移51.3 cm。墩顶容许位移满足规范要求。

2.1 病原菌分布 7548份标本中共分离株病原菌2539株,阳性率33.64%;其中革兰阴性菌994株,占39.15%,革兰阳性菌1015株,占39.98%,真菌530株,占 20.88%;见表1。

能力保护构件的验算:

(1)桥墩塑性铰抗剪验算

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经计算,支座最大剪切变形为44 cm,小于容许位移62.5 cm。支座验算满足要求。

(3)桩基验算

E2地震作用下,桥墩进入塑性,承台顶部作用的弯矩、剪力和轴力设计值采用墩柱底部出现塑性铰处的弯矩承载力、剪力设计值和墩柱最不利轴力来计算。因此本工程单独建立群桩基础及承台模型。在承台顶部施加墩柱底部出现塑性铰处的弯矩承载力(考虑超强系数)、剪力设计值和墩柱最不利轴力。

E1地震作用下的桥墩弯矩见图7。

5 结语

本文以天津市志成道泰兴路立交桥为背景,围绕着高烈度区地震液化场地梁桥抗震设计方法展开研究工作。

(1)高烈度区中、小跨径梁桥采用HDR高阻尼隔震橡胶支座。

(2)本文提出了E2地震作用下HDR高阻尼隔震橡胶支座水平等效刚度的解析迭代算法。

(3)针对志成道泰兴路立交桥进行减隔震设计,其理论计算结果满足规范要求。

参考文献:

为验证所设计控制方案的有效性,首先在Matlab/Simulink平台上开发了MFAC模块,其内部设计如图2所示。图2中,控制律算法和伪偏导数估计算法是通过M文件编写S-Fuction来实现的,将其封装为带λ和ρ两个参数的MFAC模块,以便调用。MFAC-PID串级控制系统仿真如图3所示。

[1]C JJ 166-2011,城市桥梁抗震设计规范[S].

[2]JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

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[4]王晓伟,叶爱君,罗富元.液化场地桩柱式基础桥梁结构地震反应的敏感性分析[J].工程力学,2016,33(8):132-140.

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[5]王晓伟,李闯,叶爱君,等.可液化河谷场地简支梁桥的地震反应分析[J].中国公路学报,2016,29(4):85-95.

牛登辉,胡哲卿,任育林
《城市道桥与防洪》2018年第4期文献

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