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高烈度区桥梁结构设计分析

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摘要:文章以高烈度区桥梁为题,就高烈度区的桥梁下部结构配筋,应用Midas软件建模分析,对下部结构配筋进行探讨和研究。

关键词:高烈度区;下部结构;抗震分析;配筋

前言

桥梁设计应该按照安全、耐久、适用、环保、经济和美观的原则,可见桥梁结构的首要任务是安全,安全的作用尤为重要,其次才是其他原则,我国50%的国土面积位于地震高烈度区域,在高烈度区架设桥梁,桥梁的安全不容忽视,结构的安全性能是非常重要的,这就需要结构本身具有一定的抗震性能,万丈高楼平地起,根基最重要,可见桥梁下部结构的作用是举足轻重的,下部结构的钢筋配置以及抗震分析就显的格外重要。

1工程的主要概况

项目位于宁夏回族自治区中卫市海原县,公路等级为二级公路,荷载等级为公路-Ⅰ级,地震动峰值加速度0.3g,地震动反应谱特征周期0.45s,属高烈度区,桥梁工程场地类别为Ⅱ类。本桥为4-20m装配式预应力混凝土简支空心板桥,交角45°,桥梁宽度13m,桥面整体层采用15cm厚C50混凝土,铺装层采用9cm厚沥青混凝土。桥墩采用直径1.2m墩柱,桩基采用直径1.4m桩基础,肋板台基础采用1.2m桩基础,桩基础全部为摩擦桩。桥墩盖梁、墩身、系梁、桥台台帽、台身、耳墙、背墙等采用C30混凝土,桥台肋板台承台、墩台钻孔桩基础等采用C35抗硫混凝土。

2下部结构初步配筋

桥墩采用直径1.2m墩柱,桩基采用直径1.4m桩基础,结合工程经验,初步拟定桥墩墩柱主筋采用26根HRB400ψ25的钢筋,箍筋采用HPB300φ12的钢筋,且箍筋在塑性铰区域内进行了加密,桩基主筋采用26根HRB400ψ25的钢筋,箍筋采用HPB300φ12的钢筋,箍筋及主筋未加密;肋板台基础采用1.2m桩基础,初步拟定桩基采用24根HRB400ψ25的钢筋,箍筋采用HPB300φ12的钢筋,箍筋及主筋未加密。

3结构计算与分析

本桥采用MidasCivil2012全桥建模,重点对下部结构墩柱、桩基础进行抗震分析验算,验证墩柱、桩基础在钢筋配筋上是否合理,抗震性能是否满足要求。根据《公路桥梁抗震设计细则》的规定,本桥为规则桥梁,且为C类,C类桥梁必须进行E1地震作用和E2地震作用下的抗震设计,本次计算采用反应谱法进行结构的弹塑性抗震分析。本桥为空心板中桥,支座采用板式橡胶支座,支座在Mi-das模型中采用线性弹簧单元模拟,根据《公路桥梁抗震设计细则》的公式(k=GdAr/∑t)计算板式橡胶支座剪切刚度系数k值,桥梁下部结构为摩擦桩基础,需考虑桩土共同作用,对于桩土共同作用可用等代土弹簧模拟,结合土层资料,等代桩基土弹簧的刚度采用表征土介质弹性值m参数法模拟。本次作用效应组合为:永久作用效应+地震作用效应,其中永久作用包括结构重力(恒载),地震作用为地震动的作用和地震土压力等。

3.1弹性分析

验算本次桥梁抗震分析验算时,E1地震作用下,常规桥梁的所有构件抗弯刚度均按毛截面计算。(1)E1地震作用下桥墩抗弯强度验算:按照下列公式进行计算:根据分析计算,除2#墩顶单元外,其它桥墩强度验算满足要求,2#墩墩顶单元最大轴向力组合设计值γ0Nd为1136.56kN,其对应的抗压承载能力1037.713kN,2#墩墩顶单元最小轴向力组合设计值γ0Nd为1103.006kN,其对应的抗压承载能力1037.713kN,说明E2地震作用下2#桥墩墩顶单元已发生塑性变形,需进行塑性分析。在弹性分析验算中,E1地震作用桥墩强度验算及基础验算均满足规范要求,E2地震作用下桥墩墩顶部分单元已进入塑性状态,产生塑性变形,但基础验算满足规范要求。

3.2塑性分析验算

塑性分析验算时,延性构件的有效截面抗弯刚度应按下式Ec×Ieff=My/φy计算,但其他构件抗弯刚度仍按毛截面计算。(1)E2地震作用下桥墩塑性铰区抗剪强度验算墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度应按下列公式验算:延性墩柱沿顺桥向和横桥向剪力设计值其中φ0为桥墩正截面抗弯承载能力超强系数,取值本次抗剪承载能力为1546.95kN,顺桥向最大剪力设计值为1457.672kN,横桥向最大剪力设计值为1460.058kN,剪力设计值都小于墩柱结构塑性铰区域抗剪承载能力值,桥墩塑性铰区抗剪强度验算满足规范要求。(2)E2地震作用下基础验算按能力保护构件分别计算出轴力、弯矩、剪力设计值后和永久效应组合后进行验算,需按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范》持久状况承载能力极限状态计算进行验算。本次根据Midas模型,提取桩基础轴力、剪力以及弯矩,按承载能力极限状态、正常使用极限状态进行桩身强度、稳定性及裂缝宽度的验算,验算结果显示桩基安全系数均大于1,可见E2地震作用下基础验算满足规范要求。在塑性验算中,E2地震作用下,桥墩塑性铰产生弹塑性变形,消耗了地震能量,具备了一定的塑性变形能力,发挥了应有的作用,E2地震作用下桥墩塑性铰区抗剪强度验算满足规范要求,E2地震作用下基础验算满足规范要求。根据以上Midas建模进行弹性、塑性分析验算,桥墩采用直径1.2m墩柱,桩基采用直径1.4m桩基础,桥墩墩柱主筋采用26根HRB400ψ25的钢筋,箍筋采用HPB300φ12的钢筋,且箍筋在塑性铰区域内进行了根数及肢距的加密,桩基主筋采用26根HRB400ψ25的钢筋,箍筋采用HPB300φ12的钢筋,箍筋及主筋未加密;肋板台基础采用1.2m桩基础,桩基采用24根HRB400ψ25的钢筋,箍筋采用HPB300φ12的钢筋,箍筋及主筋未加密,在E1地震作用、E2地震作用下,下部结构抗震验算均满足要求,可见本次下部结构墩柱及桩基,在主筋及箍筋配筋根数及直径初步拟定上完全合理的,下部结构能够抵抗地震作用产生的所有效应。

4结论

根据本次抗震分析验算,结合规范要求,对于抗震设防烈度为7度及7度以上区域的桥梁,应做好桥梁的抗震设计工作,在桥墩的塑性铰区域内应加密箍筋根数及肢距,且应使塑性铰区域最小体积含箍率不得低于0.004,以便墩柱构件更好的发挥抗剪作用;作为桩基础,考虑到桩土共同作用,桩身受到的地震剪力相对较小,而承受的弯矩较大,结合本次桥梁抗震分析,桩基是否需要配置抗弯的抗震钢筋,应加强桩基结构抗震分析,确定弯矩最大值及弯矩临界位置,以便确定抗震钢筋的根数及长度。

参考文献:

[1]JTGD62-2004.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].人民交通出版社,2004.

[2]JTGD60-2015.公路桥涵设计通用规范[S].人民交通出版社,2015.

[3]JTG/TB02-01-2008.公路桥梁抗震设计细则[S].人民交通出版社,2008.

[4]JTGB02-2013.公路工程抗震规范[S].人民交通出版社,2014.

[5]GB18306-2015.中国地震动参数区划图[S].中国标准出版社,2015.

[6]JTGD63-2007.公路桥涵地基与基础设计规范[S].人民交通出版社,2007.

作者:刘智 文俊 单位:中交公路规划设计院有限公司

高烈度区桥梁结构设计分析责任编辑:张雨    阅读:人次