雙柱框架式橋墩布置方式對連續(xù)梁橋靜力性能的影響

中國西部山區(qū)道路的上部結(jié)構(gòu)通常采用預(yù)制混凝土t梁或預(yù)制小箱梁，下部結(jié)構(gòu)通常采用雙柱結(jié)構(gòu)。雙柱式框架墩一般由墩柱、蓋梁、橫系梁等組成,墩柱下通常設(shè)有樁基礎(chǔ)。雙柱式框架墩構(gòu)造簡單、施工便捷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,沿橫橋向具有一定的結(jié)構(gòu)冗余度,使得其在地震、超載等偶然荷載作用下不易倒塌,因而在中國公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。橋梁結(jié)構(gòu)的整體受力性能與橋墩的構(gòu)造形式密切相關(guān)。山區(qū)公路橋梁普遍具有高墩的特點,沿墩高方向一般設(shè)置有多道橫系梁。橫系梁對提高框架墩的整體性、改善墩柱的抗震性能等具有重要意義,但過多地設(shè)置橫系梁又將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)延性降低、增加施工難度和造價。因此,合理布置橫系梁對保證框架式墩柱結(jié)構(gòu)的受力性能具有重要意義。劉一波等對無帽梁雙柱式橋墩橫系梁的設(shè)置方法進(jìn)行了研究,提出了無帽梁雙柱式橋墩的橫系梁布置方法;JTGD62-2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》中,對橫系梁的截面尺寸做出了詳細(xì)要求:“柱式墩臺的柱身間設(shè)置橫系梁時,其截面高度和寬度可分別取0.8~1.0倍和0.6~0.8倍的柱直徑或長邊邊長”,但規(guī)范中對橫系梁的設(shè)置間距并沒有給出明確規(guī)定,且國內(nèi)外針對該問題展開的研究還較少。基于此,該文結(jié)合工程設(shè)計,基于結(jié)構(gòu)靜動力性能需求,對框架式墩柱間橫系梁的合理布置方法進(jìn)行了分析和探討,給出了橫系梁的合理布置方法及設(shè)計建議。1有限元模型以一橋跨布置為3×30m的高架橋為例對其在不同橫系梁布置方式下結(jié)構(gòu)的靜動力性能進(jìn)行分析。該高架橋橋面寬16.5m,兩側(cè)橋頭與橋臺相接,上部結(jié)構(gòu)采用先簡支后連續(xù)的預(yù)制小箱梁,小箱梁采用C50混凝土,主梁墩頂連續(xù)處采用GYZue788650×130支座,兩端橋臺處設(shè)置GYZF4ue788450×101支座,上部結(jié)構(gòu)橫橋向布置如圖1所示。該高架橋下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式框架墩,下部墩柱、樁基及蓋梁(橫系梁)均采用C30混凝土,其布置見圖2。表1為雙柱橋墩的基本尺寸,其中墩高大于30m時墩柱采用變截面形式,有限元模型的墩高根據(jù)計算分析需要確定,其截面尺寸參照高地震烈度地區(qū)30m跨預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制小箱梁上下結(jié)構(gòu)通用圖確定。圖3為全橋三維有限元模型。主梁、橋墩采用三維梁單元進(jìn)行模擬,橫梁荷載和二期恒載均考慮為梁單元附加質(zhì)量。為盡可能真實模擬墩底的約束條件,模型建立了30m長的樁基并考慮樁-土相互作用;樁基在樁底固結(jié),采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)計算的等代土彈簧剛度模擬樁土作用,且在靜力分析時,m值根據(jù)常見硬塑粘性土等取為15000kN/m4;進(jìn)行動力分析時,則根據(jù)JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》的要求取m動=2.5m靜。橋臺采用固定約束的節(jié)點進(jìn)行近似模擬,主梁與橋墩、橋臺處連接則根據(jù)實際支座類型,建立考慮支座抗壓剛度和剪切剛度的彈性支撐。模型建立過程中未考慮主梁縱坡和橫坡的影響。2設(shè)計加速度反應(yīng)譜分析樁柱式下部結(jié)構(gòu)在考慮樁土共同作用后,樁基礎(chǔ)的地震效應(yīng)一般要大于墩柱?？紤]到樁基損壞時檢測、修復(fù)非常困難,樁柱式下部結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)通常要求具有相對墩柱更大的截面,以保證其承載力滿足規(guī)范要求。通過在墩底設(shè)置橫系梁,有望降低墩柱和樁基的反彎點高度及橫橋向計算長度,從而減小地震荷載效應(yīng)、提高結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的受力性能。為對墩底設(shè)置橫系梁后的影響進(jìn)行分析,建立了墩高分別為7和30m的雙柱式框架墩全橋模型,根據(jù)B類橋梁、基本烈度Ⅷ度、設(shè)計基本地震動加速度峰值A(chǔ)為0.2g、Ⅱ類場地、場地特征周期0.4s等條件,計算得到El地震作用下的設(shè)計加速度反應(yīng)譜,然后對是否設(shè)置墩底橫系梁進(jìn)行反應(yīng)譜分析。圖4、5為分析所得到的下部結(jié)構(gòu)橫橋向彎矩圖,各構(gòu)件的最大彎矩如表2所示。結(jié)合圖4、5和表2結(jié)果可知:當(dāng)墩柱不設(shè)墩底橫系梁時,墩柱的實際嵌固點相對設(shè)置墩底橫系梁時下移,其橫橋向反彎點位于墩底附近,最大彎矩出現(xiàn)在樁基礎(chǔ)部分,因此墩底位置不再是塑性鉸區(qū)域,該受力特征有可能導(dǎo)致樁基礎(chǔ)乃至整個下部結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下發(fā)生破壞。由表2可知,分別在30m高墩和7m矮墩墩底設(shè)置橫系梁后,樁基礎(chǔ)的橫橋向彎矩大幅減小,其最大減小幅度接近45%。此外,設(shè)置墩底橫系梁后,墩柱、蓋梁及其他橫系梁的受力也得到一定程度的改善。雙柱式框架矮墩在設(shè)置墩底橫系梁后,其下部結(jié)構(gòu)整體剛度得到增大,從而也使結(jié)構(gòu)在溫度變化下的內(nèi)力分布發(fā)生變化。為研究該變化對下部結(jié)構(gòu)受力性能的影響,選取墩高7m的樁柱式框架矮墩,分別按照如下3種邊界條件,分析結(jié)構(gòu)在均勻升溫20℃作用下的荷載效應(yīng)。邊界條件1:墩底固結(jié),不考慮樁土共同作用。邊界條件2:墩底不設(shè)橫系梁、考慮樁土共同作用。邊界條件3:墩底設(shè)橫系梁、考慮樁土共同作用。表3為不同邊界條件下的計算結(jié)果。由表3可知,考慮樁土相互作用影響后,矮墩在均勻升降溫作用下所產(chǎn)生的內(nèi)力得到極大減小;同時在矮墩墩底設(shè)置橫系梁后,墩柱和蓋梁彎矩均有所減小,由此可知,在溫度作用下,墩底橫系梁的設(shè)置可改善下部結(jié)構(gòu)的受力性能。由上述分析可知,通過在雙柱式框架墩樁柱式基礎(chǔ)設(shè)置墩底橫系梁,可有效改善下部結(jié)構(gòu)特別是樁基礎(chǔ)的受力性能,同時也能進(jìn)一步增大下部結(jié)構(gòu)的整體剛度,減小基礎(chǔ)不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)的影響。因此,對采用柱式框架墩的橋梁結(jié)構(gòu),應(yīng)在墩底設(shè)置橫系梁。3框架墩橫向振動頻率的變化及橫向剛度分析當(dāng)雙柱式框架墩的墩柱較高時,除應(yīng)設(shè)置墩底橫系梁外,還應(yīng)考慮在墩柱中部適當(dāng)位置設(shè)置橫系梁(中橫系梁),以改善框架墩橫橋向的強度、剛度及穩(wěn)定性。首先,框架墩在設(shè)置蓋梁和墩底橫系梁后,其橫向抗彎剛度要遠(yuǎn)大于縱向抗彎剛度,相應(yīng)墩柱的橫向反彎點高度將低于縱向反彎點高度;其次,在地震荷載作用下,墩柱的橫橋向地震剪力略大于縱橋向地震剪力,但墩柱的橫橋向最大彎矩卻小于縱橋向彎矩;此外,已有研究表明:墩柱沿縱橋向的計算長度通常取實際橋墩高度的1.2~1.4倍,橫橋向的計算長度則取橫系梁(蓋梁)的布置間距,因此墩柱的橫橋向計算長度比縱橋向計算長度小。由以上各點可知,框架墩墩柱的強度及穩(wěn)定性驗算均由縱橋向控制,中橫系梁的設(shè)置對改善墩柱的橫橋向強度及穩(wěn)定性、減少墩柱的橫橋向受力鋼筋有一定的幫助,對提高框架墩的整體性、增大結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度作用明顯。由于橋梁下部結(jié)構(gòu)的整體性和側(cè)向剛度受上部結(jié)構(gòu)、支座及地基基礎(chǔ)等邊界條件的影響較大,一般較難給出直接評價,而結(jié)構(gòu)的振動頻率、振型等能較好地反映結(jié)構(gòu)剛度、邊界約束等特性,因此可采用其作為評價橋梁下部結(jié)構(gòu)整體性和剛度的重要依據(jù)。在前面分析的基礎(chǔ)上,建立墩高分別為10、15、20、25、30、40、50m的框架墩(均設(shè)置了蓋梁和墩底橫系梁)全橋計算模型,對在墩柱高度范圍內(nèi)等間距布置0~3道中橫系梁時的結(jié)構(gòu)動力特性進(jìn)行分析。通過提取不同模型下框架墩一階橫向振型的振動頻率,對相同墩高設(shè)置不同數(shù)量中橫系梁的結(jié)構(gòu)振動頻率及相應(yīng)的變化率進(jìn)行比較以反映不同橫系梁布置方案下結(jié)構(gòu)的剛度變化,表4為各模型的計算結(jié)果。由表4可知:相同墩高下,框架墩一階橫向振動頻率隨橫系梁數(shù)量的增加而逐漸增大,但其增大幅度隨橫系梁數(shù)量的增加而逐漸減小。如墩高50m的框架墩,增設(shè)1道中橫系梁后,其振動頻率相對無中橫系梁增大了39.9%,增設(shè)2道時的振動頻率則相對1道時增大了11.9%,增設(shè)3道中橫系梁時的一階頻率相對2道時僅增長了6.2%。隨著墩高的增加,墩柱和橫系梁的結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)增加,但框架墩的一階橫向振動頻率仍迅速下降,反映其橫向剛度下降較快。通過增加橫系梁數(shù)量,框架墩的一階橫向振動頻率逐漸增大,高墩頻率的增長更為明顯。由此可知,增加橫系梁數(shù)量對提高橋梁下部結(jié)構(gòu)(特別是高墩橋梁)的橫橋向剛度和整體性較為有效。與此同時,橫系梁的設(shè)置將增加施工難度,減緩施工進(jìn)度,同時下部結(jié)構(gòu)的造價也將相應(yīng)增大,且伴隨著結(jié)構(gòu)自重及橫橋向剛度的增加,墩柱的縱、橫橋向地震剪力也相應(yīng)有所增大,進(jìn)而對結(jié)構(gòu)在地震荷載效應(yīng)下的受力性能產(chǎn)生影響。因此,合理設(shè)置框架墩橫系梁的數(shù)量,對保證雙柱式框架墩下部結(jié)構(gòu)的受力性能意義重大。結(jié)合表4計算結(jié)果,在考慮工程容許誤差、施工便利、經(jīng)濟性等因素后,得到框架墩橫系梁的合理設(shè)置數(shù)量(表5)。4框架墩與橫系梁節(jié)點彎矩對比為便于設(shè)計與施工,框架墩的橫系梁通常采用相同的截面尺寸和配筋。因此,在地震荷載作用下,當(dāng)雙柱墩各橫系梁的梁端彎矩相等時,橫系梁的布置最為經(jīng)濟合理。根據(jù)JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》的要求,在El地震作用下結(jié)構(gòu)各構(gòu)件均不發(fā)生損壞,因此,在El地震作用下的框架墩墩柱與橫系梁之間仍可保持剛性連接。與此同時,由橫系梁與墩柱的節(jié)點彎矩平衡可知,橫系梁端部彎矩等于其上、下墩柱的橫橋向彎矩之和,圖6為框架墩地震荷載作用下的彎矩圖。由圖6可知,下層框架受墩底較強約束影響,其反彎點相對底層墩柱中點上移,橫系梁處的墩柱彎矩小于墩底彎矩;中間層框架上、下橫系梁處的墩柱彎矩相對接近;上層框架由于蓋梁的線剛度為橫系梁線剛度的3~5倍,墩頂受到蓋梁的約束相對下部橫系梁提供的約束更大,因此蓋梁與第1道橫系梁間墩柱的反彎點相對頂層墩柱中點往下偏移,即橫系梁處的墩柱彎矩相對蓋梁處更小。由此可知,當(dāng)框架墩的中橫系梁數(shù)量不少于2道時,應(yīng)適當(dāng)減小頂層及底層高度,從而使墩柱各層橫系梁端部的最大彎矩接近,保證各橫系梁在地震荷載下的均勻受力。文獻(xiàn)中建議框架墩在僅設(shè)置1道橫系梁時,宜將橫系梁布置在距墩底0.6H的位置;文獻(xiàn)則建議在設(shè)置2道橫系梁時,橫系梁宜分別布置在距墩底0.3H和0.8H的位置,此時框架結(jié)構(gòu)受力最為合理,與該文中分析結(jié)果一致。5確定橫系梁形式分析了墩底橫系梁和中橫系梁對雙柱式框架墩受力、剛度和整體性的影響,基于分析結(jié)果,對框架式雙柱墩的設(shè)計提出以下幾點建議:(1)在框架式雙柱墩墩底設(shè)置橫系梁,可有效減小樁基的地震荷載效應(yīng),提高結(jié)構(gòu)的整體性,減小不均勻沉