高烈度區(qū)高墩橋梁概念設(shè)計(jì)原則

太原至佳縣高速公路是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中“人字骨架、九橫九環(huán)”主骨架第四橫的重要組成部分。它是山西省西部、甘肅和寧、北京、天津和河北的重要戰(zhàn)略通道。路線起點(diǎn)接太原西北環(huán)高速公路,途經(jīng)太原市、陽(yáng)曲縣、靜樂(lè)縣、婁煩縣、嵐縣、方山縣、臨縣7個(gè)市縣,終點(diǎn)位于陜西省佳縣,路線全長(zhǎng)約210km,設(shè)計(jì)速度為80km/h,路基寬度24.5m。太佳高速呂梁段的工程難度非常大,由于地質(zhì)條件復(fù)雜,橋隧比例占到總工程量的40%。在起訖樁號(hào)K173+030~K176+600,全長(zhǎng)為3.57km的路段內(nèi),主要工程內(nèi)容為路基、橋涵及隧道工程。其中大橋4座,分別為柳溝大橋、桑坪大橋、熱溝大橋和段家溝大橋。其中,桑坪大橋、熱溝大橋、段家溝大橋最大橋墩高度分別為55m、55.5m和64.2m。這類高橋墩均設(shè)計(jì)為剛度大、整體受力好、重量輕的鋼筋混凝土變截面空心墩。“小震不壞,中震可修,大震不倒”的分類設(shè)防抗震設(shè)計(jì)思想已廣為接受,現(xiàn)已被《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TB02-01-2008所采用。早在1997年,美國(guó)應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)完成了一個(gè)科研項(xiàng)目(ATC-18),查閱了世界各國(guó)的公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,并提出了改進(jìn)美國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的若干建議。其中,最主要的建議是要采用兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法(two-leveldesignapproach),即要求結(jié)構(gòu)在兩個(gè)概率水平的地震作用下,分別達(dá)到兩個(gè)不同的性能標(biāo)準(zhǔn)。另一方面,能力設(shè)計(jì)思想貫穿于《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TB02-01-2008中,能力設(shè)計(jì)思想要求在一座橋梁內(nèi)部建立合理的強(qiáng)度級(jí)配,以保證地震破壞只發(fā)生在預(yù)定的部位,而且是可控制的。具體來(lái)說(shuō),設(shè)計(jì)思想同建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011—2001,即選擇理想的塑性鉸位置,以保證結(jié)構(gòu)延性抗震能力;而不利的塑性鉸位置或破壞機(jī)制(脆性破壞)則要通過(guò)提供足夠的強(qiáng)度加以避免。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/TB02-01-2008條文6.1.3的規(guī)定可知,橋墩高度大于30m,墩高相差懸殊,該梁橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁。我國(guó)的西北和西南部地區(qū)是高烈度的地震區(qū)域,太佳高速公路沿線途經(jīng)3個(gè)不同的抗震設(shè)防烈度區(qū),太原市、陽(yáng)曲縣為8度抗震設(shè)防烈度區(qū),靜樂(lè)縣和婁煩縣為七度抗震設(shè)防烈度區(qū),嵐縣、方山縣、臨縣以及陜西省佳縣屬于六度抗震設(shè)防烈度區(qū),所以在這個(gè)地區(qū)的高墩橋梁在高烈度的地震作用下,將會(huì)呈現(xiàn)出不同于其它地區(qū)的特性,高墩橋梁的興建給抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的課題。一般來(lái)說(shuō),上部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要由恒載、活載、溫度荷載等控制。而墩柱在地震作用下將會(huì)受到較大的剪力和彎矩作用,一般由地震反應(yīng)控制。在地震作用下,當(dāng)高墩與矮墩耦合時(shí),矮墩的地震力非常大,有可能會(huì)造成矮墩提前破壞;而當(dāng)高墩與矮墩不耦合時(shí),則可能會(huì)導(dǎo)致高墩的地震位移過(guò)大,導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的落梁或者支座脫落。因此,高墩的選型和設(shè)計(jì)對(duì)全橋在地震作用下的安全有著重要的意義。橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)在細(xì)致調(diào)查基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上,把合理的抗震計(jì)算和有效的抗震措施結(jié)合起來(lái),才能收到更好的效果。1抗推剛度的確定橋墩的型式是影響橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的主要因素之一。對(duì)于連續(xù)梁橋,同一聯(lián)內(nèi)各橋墩的高度應(yīng)盡可能相近,但實(shí)際工程中往往存在一些橋墩的高度相差懸殊,跨距不均勻,橋梁的剛度和質(zhì)量不平衡的情況,美國(guó)Caltrans《橋梁抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》對(duì)于連續(xù)橋梁的橋墩之間的剛度比進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定;橋梁的任意兩個(gè)墩的組合抗推剛度比應(yīng)滿足式(1);相鄰兩個(gè)墩的組合抗推剛度比應(yīng)滿足式(2);式中:kie,kje:第i,j號(hào)墩的組合抗推剛度,kei小于kej;mi,mj:第i,j號(hào)墩頂?shù)募匈|(zhì)量。美國(guó)Caltrans《橋梁抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則》還規(guī)定相鄰兩聯(lián)橋跨的基本振動(dòng)周期比應(yīng)大于0.7,即:式中:Ti,Tj:第i,j聯(lián)橋垮的基本周期,Ti小于Tj。結(jié)構(gòu)的剛度對(duì)稱有利于抗震,不等跨的橋梁容易發(fā)生震害。特別是一座橋內(nèi)墩身高度相差過(guò)大,在較矮的橋墩上會(huì)產(chǎn)生很大的地震水平力,跨徑不同。在大跨徑的橋孔的橋墩上也產(chǎn)生大的地震力。為保證橋梁剛度和質(zhì)量的平衡,可以通過(guò)調(diào)整支座或者在不利墩上設(shè)置消能措施降低墩頂集成剛度的辦法,例如設(shè)抗震支座等。調(diào)整支座可能是最簡(jiǎn)單易行的辦法,效果也很顯著。當(dāng)采用橡膠支座后,由墩和支座構(gòu)成的串聯(lián)體系的組合抗推剛度為:式中:kt:墩和支座的組合抗推剛度;kz、kp:橡膠支座的剪切剛度和橋墩的水平剛度。彈性反應(yīng)時(shí),水平地震力就是按墩的組合抗推剛度的比例分配的,從上式可以看出,調(diào)整支座的剛度可以有效地改善橋的剛度平衡狀況。2利用橫向鋼筋第二大現(xiàn)澆地下主流區(qū)的混凝土抗剪能力在橋梁設(shè)計(jì)中,結(jié)構(gòu)的延性通常是由墩柱塑性鉸提供的,這些構(gòu)件中的軸向力在相當(dāng)?shù)偷奈灰蒲有运较率够炷帘韺觿兟洹?shù)量足夠的、合理錨固的橫向鋼筋在橋墩柱中的功能主要有以下3個(gè)方面:①用于約束塑性鉸區(qū)域內(nèi)混凝土,提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性;②提供抗剪能力;③防止縱向鋼筋壓曲。為了防止縱向受壓鋼筋的壓曲,矩形箍筋和螺旋箍筋的間距不應(yīng)過(guò)大。Priestley通過(guò)分析提出,建議箍筋之間的間距應(yīng)滿足:式中:fy、fu:縱筋向鋼筋的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)化強(qiáng)度;dbl:縱筋的直徑。各國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)塑性鉸區(qū)域橫向鋼筋的最小配筋率都進(jìn)行了具體規(guī)定。同濟(jì)大學(xué)通過(guò)大量的試驗(yàn)和分析,結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況,對(duì)橫向鋼筋最小配筋率進(jìn)行了研究,并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。螺旋箍筋或圓形箍筋在混凝土的膨脹作用下處于受拉狀態(tài),因而對(duì)混凝土產(chǎn)生環(huán)箍作用。當(dāng)環(huán)向箍筋應(yīng)力大到屈服應(yīng)力時(shí),箍筋的側(cè)向壓力達(dá)到最大。方形箍筋僅在方形的四角的附近才對(duì)混凝土有約束作用。因此混凝土對(duì)箍筋的壓力使箍筋向外彎曲。如果采用交迭式的正方形、矩形箍筋,或是采用有橫向加勁肢的方形箍筋,在截面上有數(shù)肢加勁肢,約束的效果會(huì)明顯改善。3震應(yīng)主要通過(guò)支護(hù)與墩、臺(tái)相串聯(lián)來(lái)影響橋梁地震反應(yīng)減、隔震技術(shù)是簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的工程抗震手段。減、隔震體系通過(guò)增大結(jié)構(gòu)主要振型的周期,使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力來(lái)達(dá)到減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的。采用減、隔震支座(聚四氟乙烯支座、疊層橡膠支座和鉛芯橡膠支座等)在梁體與墩、臺(tái)的連接處增加結(jié)構(gòu)的柔性和阻尼以減小橋梁的地震反應(yīng),采用減、隔震支座橋梁結(jié)構(gòu)的梁體通過(guò)支座與墩、臺(tái)相聯(lián)結(jié)。大量的試驗(yàn)和理論分析都表明,其聯(lián)結(jié)方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有很大的影響。總之,對(duì)于高橋墩