桥梁抗震设计中上部结构与桥墩的连接

张　丽1,张　园2,常天贵3

Ξ

(1.呼和浩特市公路勘察设计院;2.内蒙古建筑职业技术学院;3.呼市和林县公路段,内蒙古和林格尔　011000)

　　摘　要:结构物的抗震设计要求通过地震作用的取值和抗震措施的采用来实现,但由于地震动的随

机性,加之结构物的动力特征、所在场地、材料及结构内力的不确定性,地震所造成的破坏程度很难准确预测。因此,为了保证结构具有足够的抗震可靠性,在进行结构的抗震设计时,必须综合考虑多种因素的影响,着重进行结构物抗震的概念设计。

关键词:上部结构;桥墩;抗震　　中图分类号:TU279.7+2　　文献标识码:A 　　文章编号:1007—6921(2005)03—0102—02　　在概念设计阶段,桥梁上部结构与墩的连接主要有两种方法:上部结构可以建成带有抗弯连接[如图一(a )]或者用支座支承[如图一(b )]。这两种选择与抗震性能以及设计力的水平关系极大,下面着重讨论它们的优缺点。1　抗弯连接

这种连接通常只适用于由混凝土下部结构支承的预应力混凝土或普通钢筋混凝土上部结构

。

(a )

抗弯连接

(b )支座支承

图1　上部结构与墩的连接

111　优点

下部与上部整体连接[图一(a )]最适合于较细长的桥墩或跨度较小的桥梁。这种连接的抗弯能力在抵抗侧向力,特别是对纵桥向反应,在地震过程中

能产生附加的超静定潜力。假定墩(柱)底弯曲固结,在强震作用下,与支座支承的连接比较起来,更容易在墩(柱)顶部的潜在塑性铰处产生一个附加的耗能位置。在纵向反应中,这种连接将使墩(柱)产生双向弯曲,对于给定的墩(柱)截面尺寸和钢筋含量,增加了纵向抗剪能力。

如果墩柱排架在横向是由多根柱组成,那么这些柱无论在纵向还是在横向均是双向弯曲。如果抗弯连接是在柱的底部,则柱在纵向和横向均具有相同的刚度。这样就出现了抗震设计的最佳条件:各个方向的抗震能力是相同的,这就是采用圆柱的原因。

整体连接的另一个优点就是它对地震位移的大小不敏感,除非位移大到足以影响到柱顶塑性铰的转动能力和连接强度。112　缺点

由于柱和上部结构的弯曲连接,在纵向地震反应中,上部结构将产生地震弯矩。其在与恒载的弯矩叠加后会产生上部结构的控制设计条件。这个控制设计工况通常是当地震弯矩沿柱面处反对称分

布,并且大小超过恒载弯矩时的情况时,为了承担这些弯矩,在梁的底部需要布置特殊的纵向钢筋。

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Ξ收稿日期:2005年1月10日

如果在柱子钢筋的顶部和上部结构的顶部钢筋之间留有空隙以使施工方便,那么从柱的拉力钢筋传递拉力到上部结构顶部拉力钢筋的机理是不连续的,其牢靠程度不确定,况且节点区域受到节点剪力的水平较高,通常要求特殊的竖向和水平节点剪力钢筋,[如图一(a)]所示。

如果上部结构是由独柱排架支承,则横桥向的反应是一个简单的悬臂梁作用,而纵向反应则与柱的抗弯能力有关。

对于联成整体的墩与上部结构设计,由于温度和收缩产生的纵桥向位移必须由柱绕横向轴的弯曲来进行调节。因为由于这些影响产生作用于柱体的位移是与两伸缩缝间的距离成正比的,因此伸缩缝的间距设置或许应比滑板支承的连续梁桥更近些,尤其是对那些桥跨短且墩柱刚度大的情况。

总之,墩上部结构固结设计概念明显只适合于连续上部结构的设计。对于比采用预制标准梁截面更经济的简支跨,这个概念是不合适的。

2　支座支承的上部结构

上部和下部结构之间的支座可以设计得只允许上部结构转动,或者可以允许在一个或几个方向平动。最常用的转动支座如盆式支座,而平动可以是板式橡胶支座、聚四氟乙烯滑板支座(不锈钢支座或者摇摆支座)。

通过支座的侧向力决定着支座的设计且决定着横向位移是否需要由剪力键来。滑板支座相应于温度变形的低变位移率摩擦系数是非常低的,在地震变位率作用下有较大的摩擦系数,通常在10%左右。实际数值取决于支座正压力和相对位移的速度,力与位移的关系可用库仑阻尼来描述。

板式橡胶支座提供的抗力是与位移成正比的,刚度可以通过选择支座的尺寸和橡胶的厚度来达到一个比较宽的调整范围。下面简要讨论支座支承的上部结构的优缺点。

211优点

或许采用支座支承的最大优点是上部结构不受到通过墩柱传来的地震运动。正因为这样,对于抗弯连接的上部结构截面形式可以选择的做法就不再适合了。这些包括简支梁桥和梁板结构。

如果支承系统是单柱排架系统,那么在纵向和横向的反应是基本的竖直悬臂梁的反应。因此,为了使横向的抗力特性与方向无关,可采用简单的圆柱截面形式。这样不但简化了设计同时使柱设计更加有效。采用支座给设计者在怎样抵抗地震和什么地方需要抵抗地震力方面提供了较大的选择余地。通过在上部结构和墩柱之间设置支座可以解决矮的刚性墩吸收过大地震力的问题。如果采用橡胶支座,可以通过调整墩顶支座的刚度来弥补不同桥墩刚度相差的问题。因此,柔性墩可以设置刚性支座,反之亦然。

212　缺点

采用支座支承的上部结构其地震位移较整体连接的体系敏感。由于低刚度引入结构,峰值反应位移也可能大大增加,多柱式排架桥墩纵桥向象竖向的悬臂梁一样,但横桥向是双向弯曲变形,与前面提到的单柱与上部结构的抗弯连接不完全相同。对于这类结构不适合采用柱底铰接来减少基础地震力。

对于软土地基情况,场地加速度反应谱峰值出现在周期相对较长的区域,这时支座引起的周期飘移则会导致上部结构的加速度反应大大增加。很明显,采用剪力键横向位移,上述横向反应的影响能大大减少,但顺桥向的影响总是存在的。在这种情况下,如果是依赖结构的弹性反应同时依赖于返回到桥台的力,延性柱设计或许是不合适的。在罕遇地震作用下(即比设计水平大得多的地震),由于上下部结构之间分离产生的附加联或许使桥梁更易破坏和倒坍,这是竖向加速度反应超过1.0并且支座位移超过支座变形能力的结果。

特别是在持续时间较长的地震作用下,上部结构支承在滑板支座上是可能产生大残余位移的,这是由于滑动支座缺乏恢复力特征,且不可避免的使相对位移偏在一边的缘故。这种影响可以通过将滑动支座与有恢复力特性的板式橡胶支座或其他弹性支座装置组合使用来减少。通过上述分析我们可以看出来对于不同的桥梁结构形式我们可以通过采用合理的上部结构与桥墩的连接来使得结构具有更好的抗震性能。

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