重力墩

重力墩是壩體的一部分，其位置和尺寸在拱壩體形設(shè)計(jì)時(shí)選定。應(yīng)力分析可采用有限元法或結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)與拱壩及地基一并分析；也可以近似地先計(jì)算拱壩作用力系，再按材料力學(xué)計(jì)算重力墩的抗滑穩(wěn)定和應(yīng)力。為減少重力墩的彎矩和扭矩，可調(diào)整重力墩的幾何形狀，使外作用力系與自重的合力線靠近重力墩的形心。重力墩的最大推力通常出現(xiàn)在校核洪水位時(shí)的水壓力加溫升的情況；重力墩的最大扭矩（即水平拱的最大彎矩）通常出現(xiàn)在冬季最高水位加溫降的情況。重力墩與拱壩壩基的帷幕灌漿和排水孔幕，應(yīng)連成一體并協(xié)調(diào)一致。

《公路交通科技名詞》。 2100433B

1 工程概況

“中委合資廣東石化 2 000 萬 t/a 重質(zhì)原油加工工程”是中國石油天然氣股份有限公司與委內(nèi)瑞拉國家石油公司的合資項(xiàng)目，也是國內(nèi)乃至世界一次性建設(shè)加工能力最大的煉油項(xiàng)目。煉廠建在廣東省揭陽市惠來縣新龍江河出?？谖靼丁Ｅc煉廠配套的 30 萬噸級原油碼頭工程建在東部沿海石碑山燈塔東側(cè)開敞海域，接卸的原油通過海上大跨度鋼引橋 （管線橋） 輸送至陸域的原油中轉(zhuǎn)庫，再通過陸上管道輸送到相距 26 km 的煉廠。30 萬噸級原油碼頭采用離岸式總平面布置，碼頭前沿離岸約 1.8 km，通過一條長度約 2.3 km、寬 8.5 m 的折拐形鋼引橋與陸域相連。鋼引橋沿線海床水深為-10.0~-21.5 m （近岸第一個(gè)橋墩位于-10.0 m 水深處），原油碼頭位于水深-21.5 m處。鋼引橋沿線橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)因海床地質(zhì)的不同，采用了不同的結(jié)構(gòu)形式：與陸域相連的約 1.6 km鋼引橋段海床巖石裸露 （或覆蓋層很薄），12 個(gè)橋墩基礎(chǔ)采用新型重力墩式結(jié)構(gòu)，其余巖石埋深較深段，橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用常規(guī)鋼管樁結(jié)構(gòu)。鋼引橋標(biāo)準(zhǔn)段凈跨 108 m，橋墩之間的中心距 123 m。

2引橋橋墩設(shè)計(jì)的主要條件

2.1 水位

極端高水位 3.12 m；設(shè)計(jì)高水位 1.87 m；設(shè)計(jì)低水位 0.30 m；極端低水位-0.16 m （均從當(dāng)?shù)乩碚撋疃然鶞?zhǔn)面起算）。

2.2 地 條件

工程海域?yàn)閹r石海岸，海床坡度較陡，鋼引橋沿線約1.6 km 范圍海床基巖裸露或覆蓋層很薄，自陸側(cè)至海側(cè)覆蓋層呈缺失到逐步加厚趨勢。作為引橋橋墩基礎(chǔ)持力層的強(qiáng)風(fēng)化花崗巖 （或中風(fēng)化花崗巖或微風(fēng)化花崗巖） 的地基允許承載力分別為600 kPa、2 000 kPa、3 000 kPa。

2.3 地震

根據(jù)GB18306—2001 《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，本區(qū)域地震基本烈度為VII 度，地震水平動(dòng)峰值加速度為0.15 g。

3引橋橋墩結(jié)構(gòu)方案比選

工程海域水深浪大，且全年海況條件惡劣，引橋橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需從施工可行性的角度，提出具備施工條件、施工設(shè)備、能確保施工工期的方案。就鋼引橋沿線的地質(zhì)條件而言，巖石裸露或覆蓋層很薄，宜采用重力墩式結(jié)構(gòu)，但必須對巖基進(jìn)行炸礁、整平處理；就海況條件而言，則宜采用透空式高樁墩式結(jié)構(gòu)，但必須考慮設(shè)置人造地基，以滿足穩(wěn)樁需求。綜合考慮海況條件因素、地質(zhì)條件因素，橋墩基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先考慮了4 種常規(guī)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選。

3.1 置永久人造地基的高 墩式 構(gòu)方案（方案 1）

該方案的設(shè)計(jì)思路：在設(shè)置橋墩區(qū)域，通過大量拋填碎石形成永久人造地基，一方面創(chuàng)造施工期的穩(wěn)樁條件，另一方面在使用期為基樁提供可靠約束，使得基樁嵌固點(diǎn)位置上移，減少基樁嵌固點(diǎn)處的彎矩，以滿足使用期基樁的強(qiáng)度要求，使方案成立。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是通過人造永久地層，實(shí)現(xiàn)了基樁嵌固點(diǎn)位置上移，較大幅度地降低了鋼管樁芯柱嵌巖樁的彎矩，使芯柱嵌巖樁的方案成為可能。最大的缺點(diǎn)是人造地基造價(jià)太高，海上工作量大。

3.2 置 構(gòu)的高 墩式 構(gòu)方案（方案 2）

考慮將基樁的穩(wěn)樁結(jié)構(gòu)改為臨時(shí)的袋裝砂結(jié)構(gòu)，采用打樁平臺(tái)進(jìn)行第一次沉樁之后，通過在鋼管樁內(nèi)鉆孔、進(jìn)行海上接樁和對鋼管樁進(jìn)行二次打樁，將鋼管樁植入巖層中，最后在鋼管樁內(nèi)澆筑混凝土，以滿足引橋墩臺(tái)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)使用期的強(qiáng)度要求，最終形成鋼管混凝土復(fù)合樁的高樁墩式結(jié)構(gòu)方案。該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是將鋼管樁植入基巖中，結(jié)構(gòu)可靠度更高，抗震適應(yīng)性更好。最大的缺點(diǎn)是需進(jìn)行海上接樁、二次沉樁，且當(dāng)植入的巖體為微風(fēng)化或新鮮巖時(shí)，由于樁底部鉆孔的孔徑小于鋼管樁的內(nèi)徑，第二次沉樁將十分困難，同時(shí)還需增加海上平臺(tái)搭卸次數(shù)，水上工作量也較大。

3.3 定 體的 管架 構(gòu)方案（方案 3）

不采用大量拋填碎石和袋裝砂的穩(wěn)樁結(jié)構(gòu)，而是將基樁結(jié)構(gòu)優(yōu)化為可在預(yù)制廠整體制作的帶穩(wěn)定塊體的鋼管導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，將該結(jié)構(gòu)用浮吊安裝在整平好的基床上，再搭設(shè)平臺(tái)，進(jìn)行導(dǎo)管架各立柱下的嵌巖樁施工，最后，將穩(wěn)定塊體與導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)分離，最終形成帶穩(wěn)定塊體的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)方案。

與方案1、2 相比，該方案最大的優(yōu)點(diǎn)是不需要設(shè)置海上穩(wěn)樁結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)將立柱結(jié)構(gòu)通過芯柱嵌巖將基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)與基巖連成整體，同時(shí)，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)還可通過設(shè)置多層橫撐，降低立柱彎矩，使芯柱嵌巖的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)方案成立。其缺點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)方案的實(shí)施，需要采用重力式結(jié)構(gòu)的安裝工藝和海上鉆孔嵌巖樁施工工藝，海上將穩(wěn)定塊體與導(dǎo)管架本體脫離有難度。

3.4 新型重力式 墩 構(gòu)方案（方案 4）

該方案將重力墩式結(jié)構(gòu)與高樁墩式結(jié)構(gòu)分別對地質(zhì)條件和海況條件適應(yīng)性的特點(diǎn)結(jié)合起來，形成帶導(dǎo)管架的異形潛式厚底沉箱重力墩式結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是能充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，墩體結(jié)構(gòu)上部為帶多層橫撐的立柱，透浪性能好，受浪面積小，對波浪的適應(yīng)性好，施工期海上安裝相對容易，同時(shí)，墩體結(jié)構(gòu)底部為異形潛式厚底沉箱，結(jié)構(gòu)主體仍是重力墩式，能提供引橋橋墩在施工期和使用期的穩(wěn)定性能，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)本體的強(qiáng)度要求。

由于新型帶導(dǎo)管架的異形潛式厚底沉箱重力墩式結(jié)構(gòu)重量較大，因此，安裝施工時(shí)需大型的船機(jī)設(shè)備。該方案海上工作量相對較少，施工工期相對有保證，施工期的風(fēng)險(xiǎn)小，且造價(jià)最低。

新型重力式橋墩結(jié)構(gòu)方案每個(gè)橋墩由1 個(gè)帶導(dǎo)管架的異形潛式厚底沉箱組成，分上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)兩部分，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)為潛式厚底沉箱結(jié)構(gòu)，與普通沉箱不同，該結(jié)構(gòu)中沉箱底板需加厚，以滿足底板的抗沖切要求和為立柱提供可靠的嵌固連接。上部結(jié)構(gòu)為鋼管立柱、鋼管橫撐和頂部鋼筋混凝土平臺(tái)結(jié)構(gòu)，立柱由若干根豎向鋼管組成，立柱底部預(yù)埋于底部沉箱基礎(chǔ)中，形成嵌固點(diǎn)；為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體剛度以及降低立柱彎矩，立柱之間用水平和斜向鋼管連接，構(gòu)成水平橫撐結(jié)構(gòu)；立柱頂部設(shè)置鋼筋混凝土平臺(tái)，用于滿足使用要求。其中，立柱和橫撐鋼管的直徑與壁厚均根據(jù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求確定；為增強(qiáng)立柱的強(qiáng)度，可以在立柱中灌注混凝土。

底部異形潛式厚底沉箱采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面尺寸為18.2 m （沿引橋軸線方向）× 17.5 m （垂直于引橋軸線方向）× 9.5 m （高度），沉箱底部四周均設(shè)置1.5 m 長的外趾，用于增加結(jié)構(gòu)的抗傾穩(wěn)定性；沉箱外壁厚0.35 m，內(nèi)隔板壁厚為0.2 m，底板厚2.5 m；沉箱內(nèi)設(shè)置9 個(gè)倉格。導(dǎo)管架由立柱和橫撐兩部分組成。立柱為6 根準(zhǔn)1.2 m 的鋼管，材質(zhì)為Q390B，底部5 m 壁厚δ= 24 mm，5 m 以上壁厚δ= 20 mm；立柱之間用準(zhǔn)1.0 m 的鋼管 （材質(zhì)為Q390B，壁厚δ= 22 mm）連接，構(gòu)成橫撐結(jié)構(gòu)，沿導(dǎo)管架高度方向，間隔4.5～5.0 m 設(shè)置1 層橫撐。上部導(dǎo)管架與下部厚底沉箱結(jié)構(gòu)在陸上預(yù)制廠整體制作，單件浮重約為2 450 t，采用5 000 t 半潛駁運(yùn)至現(xiàn)場，采用2 500 t 浮吊進(jìn)行安裝。

4新型重力式橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

4.1 荷 （ 準(zhǔn)跨，-21.0 m水深 ）

1） 鋼引橋自重：每個(gè)引橋墩上對稱設(shè)4 個(gè)鋼引橋支座，各支座承受的自重荷載1 385 kN。

2） 管線荷載：鋼引橋通過各支座傳遞的管線荷載為1 265 kN。

3） 風(fēng)荷載：鋼引橋通過4 個(gè)支座傳遞的風(fēng)荷載 （水平向、豎向） 分別為1 038 kN、519 kN，0 kN、-519 kN，1 038 kN、519 kN，0 kN、-519 kN。

4） 波浪荷載：經(jīng)過對比，控制工況為設(shè)計(jì)高水位。

作用在橫撐上的波浪荷載：波浪浮托力，取相同高程處作用在立柱上的波浪荷載，只考慮最上面兩層橫撐承受浮托力。波浪側(cè)壓力，考慮外側(cè)橫撐對內(nèi)側(cè)橫撐的遮擋作用，取相同高程處作用在立柱上的波浪荷載的兩倍大小施加在最外側(cè)橫撐上。作用在墩臺(tái)上的波浪荷載：波浪作用不到墩臺(tái)底面，墩臺(tái)波浪荷載為零。

4.2 立柱與橫撐內(nèi)力 算

1） 計(jì)算方法

采用國際通用有限元軟件ANSYS 建立有限元模型，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力分析。

2） 計(jì)算模型

立柱和橫撐采用Beam188 單元模擬，立柱的材料屬性按鋼管與內(nèi)部混凝土的剛度等效折算，頂部墩臺(tái)采用Solid45 單元模擬。立柱與底部沉箱交接點(diǎn)按固結(jié)處理。結(jié)構(gòu)所受的荷載，已相應(yīng)的等效荷載施加在模型上，荷載的分項(xiàng)系數(shù)根據(jù) JTS 167-1—2010 《高樁碼頭設(shè)計(jì)和施工規(guī)范》確定。

3）荷載組合

（控制水位，設(shè)計(jì)高水位 1.87 m）荷載組合1：自重 管線荷載 風(fēng)荷載 波浪荷載。荷載組合2：自重 風(fēng)荷載 波浪荷載。

4） 立柱與沉箱連接處抗沖剪驗(yàn)算

立柱埋入沉箱底板1 倍直徑，即1.2 m，考慮在立柱外側(cè)設(shè)置剪切鍵，剪切鍵能發(fā)揮的摩擦力為4 370 kN，此時(shí)作用在立柱底部的豎向集中力為19 490-4 370=15 120 kN。底部1 300 mm 厚混凝土受沖剪承載力。

4.3 新型重力式 墩波浪斷面物模

1） 斷面試驗(yàn)內(nèi)容

使用期：采用各設(shè)計(jì)水位與50 a 一遇設(shè)計(jì)波浪組合，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；同時(shí)量測結(jié)構(gòu)總波浪力、指定位置的波壓力。

施工期 （墩體上部鋼筋混凝土平臺(tái)澆筑之前，僅沉箱和上部立柱、橫撐組合，沉箱和立柱內(nèi)均不填充）：采用設(shè)計(jì)高水位與10 a 一遇設(shè)計(jì)波浪組合，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；同時(shí)量測結(jié)構(gòu)總波浪力。

2） 試驗(yàn)結(jié)論

使用期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：量測的總波浪力和指定位置的波壓力與計(jì)算值比較偏小，結(jié)構(gòu)安全。施工期結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：量測的總波浪力與計(jì)算值比較偏小，結(jié)構(gòu)安全。

5結(jié)語

新型帶導(dǎo)管架的異形潛式厚底沉箱重力式橋墩結(jié)構(gòu)對水深、浪大、基巖裸露 （或覆蓋層很?。┑暮r條件具有良好的適應(yīng)性，其最大的優(yōu)點(diǎn)是將重力墩式結(jié)構(gòu)與高樁墩式結(jié)構(gòu)分別對地質(zhì)條件和海況條件適應(yīng)性的特點(diǎn)結(jié)合起來，充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，墩體結(jié)構(gòu)上部為帶多層橫撐的立柱，透浪性能好，受浪面積小，對波浪的適應(yīng)性好，施工期海上安裝相對容易。同時(shí)，墩體結(jié)構(gòu)底部為異性潛式厚底沉箱，結(jié)構(gòu)主體仍是重力墩式，能提供引橋橋墩在施工期和使用期的穩(wěn)定性能，同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)本體的強(qiáng)度要求。該結(jié)構(gòu)主體制作在陸上預(yù)制廠完成，不僅海上工作量較小，而且具備短期突擊安裝施工的特性，在確保工期、降低和控制工程造價(jià)等方面更具優(yōu)勢，經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，為最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案，該結(jié)構(gòu)方案可供類似工程借鑒之用。

1研究背景

我國高速鐵路建設(shè)正在飛速發(fā)展，總里程已超過了 1． 6 萬公里，同時(shí)我國又是地震最活躍的國家之一，因此高鐵橋梁的抗震安全性引起了廣大學(xué)者與工程師的密切關(guān)注。我國四縱四橫高速鐵路網(wǎng)大多位于高烈度地震區(qū)，因而地震作用往往控制高速鐵路橋梁下部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。與西歐國家( 德國、法國等) 以及日本高速鐵路的結(jié)構(gòu)形式不同，我國高速鐵路廣泛采用配筋率低于 0． 5% 的少筋混凝土重力式橋墩 。由于混凝土重力式橋墩墩身橫截面尺寸較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)剛度較大，相應(yīng)的地震力亦大，同時(shí)配筋率又較低，如不進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)，在強(qiáng)震作用下就較易遭到破壞。

僅要求鋼筋混凝土橋墩( 配筋現(xiàn)行的鐵路震規(guī)率ρ≥0． 5% ) 在罕遇地震下進(jìn)行延性驗(yàn)算，但對配筋率ρ < 0． 5% 的少筋混凝土橋墩，在罕遇地震下不要求進(jìn)行驗(yàn)算。對于少筋混凝土橋墩，規(guī)范實(shí)際上僅進(jìn)行了多遇地震下的一階段強(qiáng)度設(shè)計(jì)，這將導(dǎo)致這種結(jié)構(gòu)的抗震性能與規(guī)范提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的多級抗震設(shè)防理念不符。關(guān)于少筋混凝土橋墩的抗震性能，鞠彥忠等對 10 根低配筋 ( 配筋率為0． 1% ～ 0． 2% ) 縮尺模型橋墩進(jìn)行了擬靜力試驗(yàn)，研究了橋墩的延性能力與配筋率的關(guān)系 劉慶華等對配筋率為 0． 4% 的混凝土橋墩進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)研究 蔣麗忠等通過對圓端形少筋實(shí)體墩進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)研究，認(rèn)為縱筋率較低的圓端形實(shí)體橋墩的滯回曲線呈顯著的捏縮狀 。以上研究主要針對某一配筋率范圍的少筋混凝土橋墩的耗能能力及變形能力進(jìn)行，均未涉及罕遇地震作用下少筋混凝土橋墩的驗(yàn)算方法。實(shí)際上使用延性概念設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)延性能力大小可分為完全延性結(jié)構(gòu)、有限延性結(jié)構(gòu)和完全彈性結(jié)構(gòu) 。如何合理利用少筋混凝土的有限延性能力，對抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。為此，本文首先探討了少筋混凝土橋墩的抗震性能與縱筋配筋率的關(guān)系，然后針對該結(jié)構(gòu)提出了罕遇地震作用下抗震驗(yàn)算指標(biāo)及驗(yàn)算方法。

2少筋混凝土橋墩抗震性能試驗(yàn)

2． 1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?

為了研究少筋混凝土橋墩的抗震性能與縱筋配筋率之間的關(guān)系，采用擬靜力模型試驗(yàn)分析鐵路重力式橋墩的承載能力、破壞模式、滯回曲線及耗能能力等指標(biāo)。以高速鐵路常用跨度32 m 簡支梁橋墩為原型，制作了5 個(gè)1 ∶8 比例的縮尺模型，縮尺后模型高度為2．5 m，橫截面為64 cm × 45 cm，C30 混凝土，模型橋墩配筋率ρ 分別為0．1%、0．2%、0．3%、0．4%、0．5%，配箍率采用0．3% 。模型主筋、箍筋采用6 鋼筋。模型試驗(yàn)加載系統(tǒng)由豎向及橫向加載系統(tǒng)組成。豎向加載系統(tǒng)由立柱、反力梁及輥軸支座和液壓千斤頂組成，豎向力主要模擬橋跨結(jié)構(gòu)對橋墩的恒載作用效應(yīng)。橫向加載系統(tǒng)主要由加力架、反力墻及電液伺服式加載系統(tǒng)組成。模型墩加載制度采用力－位移混合加載，先按力進(jìn)行加載，墩身出現(xiàn)裂縫后按位移加載。

2．2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

模型墩的裂縫開展情況及混凝土保護(hù)層剝落現(xiàn)象模型墩的具體試驗(yàn)破壞現(xiàn)象可以得出如下結(jié)論:一是，配筋率為0．1% 的橋墩僅在墩底截面產(chǎn)生一條裂縫，配筋率為0．2% ～0．5% 的橋墩在墩底及其他截面同時(shí)產(chǎn)生多條裂縫; 二是，當(dāng)配筋率大于0．4% 時(shí)，模型墩表層混凝土壓碎脫落，鋼筋向外彎曲，與鋼筋混凝土橋墩塑性區(qū)的破壞現(xiàn)象基本一致; 三是，隨著墩身配筋率的增加，塑性區(qū)域范圍逐漸增大，模型橋墩塑性區(qū)域的范圍在30 ～90 cm 之間，約為截面高度的0．7 ～2 倍。一是，配筋率為0．1% 時(shí)，滯回曲線形狀較狹窄，滯回環(huán)接近直線，耗能能力較差; 二是，隨著墩身配筋率的增加，滯回曲線形狀逐漸趨于飽滿，耗能能力增加。當(dāng)配筋率大于0．4% 時(shí)，已接近鋼筋混凝土橋墩的特性。(注:ρ = 0．5%模型墩試驗(yàn)過程中鋼筋從基礎(chǔ)中拔出，故滯回曲線呈捏攏狀)

3 地震下少筋混凝土橋墩的驗(yàn)算

3．1 驗(yàn)算指標(biāo)

少筋混凝土橋墩的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，配筋率低于0．1% 的橋墩，其破壞特征是脆性的，僅在墩底截面產(chǎn)生單一裂縫，在墩底并未形成塑性區(qū)域。為安全計(jì)，配筋率低于0．1% 的橋墩不適宜進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)。當(dāng)配筋率為0．5% 時(shí)，墩底截面形成了顯著的塑性區(qū)域，橋墩具有較好的延性變形能力。因此建議配筋率為0．5% 的橋墩按延性設(shè)計(jì)時(shí)，按現(xiàn)行《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，即位移延性系數(shù)限值μ_e= 4．8;配筋率為0．1% 時(shí)，按彈性設(shè)計(jì)，位移延性系數(shù)限值μ_e= 1．0。配筋率在0．1% ～0．5% 之間的橋墩進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，其位移延性系數(shù)限值可在1．0 ～4．8 之間線性內(nèi)插。不同配筋率下，

4算例分析

以高速鐵路32 m 雙線簡支箱梁橋圓端形實(shí)體重力式墩為研究對象，墩高取10 m，墩身橫截面尺寸(直坡)為2．6 m × 6．0 m。主筋HRB335，基礎(chǔ)為8 根樁徑為1．25 m 的鉆孔灌注樁，樁長為40 m。計(jì)算模型采用單墩計(jì)算模型。考慮地基土的柔性效應(yīng)作用，在承臺(tái)底施加平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧，橋跨結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量為1 430 t。分別采用非線性時(shí)程反應(yīng)分析法及簡化分析法重點(diǎn)對橋墩順橋向抗震性能進(jìn)行了分析。采用簡化分析法時(shí)，罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈性地震反應(yīng)采用反應(yīng)譜法分析，輸入的譜曲線采用《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的 類2 區(qū)(T_g= 0．4 s)β曲線。采用非線性時(shí)程反應(yīng)分析法時(shí)，輸入的地震動(dòng)波形采用通過規(guī)范譜曲線反演生成的人工波，地震波的峰值加速度分別取0．11g、0．21g、0．32g、0．38g、0．57g，分別對應(yīng)規(guī)范中的6度、7 度、7．5 度、8 度、8．5 度的罕遇地震動(dòng)。一是，對于中低墩，在6 度區(qū)罕遇地震作用下，配筋率為0．1% 的橋墩基本保持在彈性狀態(tài);在7 度區(qū)罕遇地震作用下，配筋率為0．2% ～0．3% 的橋墩已進(jìn)入塑性，但考慮墩身有限延性下的耗能作用，橋墩可滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。二是，在8 度區(qū)罕遇地震作用下，配筋率為0．4% ～0．5% 的橋墩已進(jìn)入塑性，但考慮墩身有限延性下的耗能作用，橋墩也可滿足“大震不倒”的設(shè)防要求。三是，兩種分析方法盡管數(shù)值略有差異，但結(jié)構(gòu)總體反映的趨勢基本一致。

5結(jié)論

本文系統(tǒng)研究了少筋混凝土橋墩的抗震性能及罕遇地震下的抗震設(shè)計(jì)方法，通過分析可得出如下主要結(jié)論:

(1)配筋率為0．1% 的橋墩，僅在墩底截面產(chǎn)生一條裂縫，與素混凝土橋墩的破壞現(xiàn)象一致; 配筋率為0．2% ～0．5% 的橋墩，在墩底及其他截面同時(shí)產(chǎn)生多條裂縫。當(dāng)配筋率大于0．4% 時(shí)，模型墩表層混凝土壓碎脫落，鋼筋向外彎曲，與鋼筋混凝土橋墩塑性區(qū)的破壞現(xiàn)象基本一致。

(2)配筋率為0．1% 時(shí)，模型墩的滯回曲線形狀較狹窄，耗能能力較差，抗震設(shè)計(jì)時(shí)建議按素混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)，位移延性系數(shù)限值取1．0。隨著墩身配筋率的增加，滯回曲線形狀逐漸趨于飽滿，耗能能力增加。對于配筋率在0．1% ～0．5% 之間的少筋混凝土橋墩，抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)合理考慮其耗能能力，位移延性系數(shù)限值建議在1．0 ～4．8 之間線性內(nèi)插。

(3)本文提出了罕遇地震下少筋混凝土橋墩的單墩非線性時(shí)程反應(yīng)分析模型及簡化分析法，為便于設(shè)計(jì)人員使用，建議采用簡化分析法。