《城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析_管仲国.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析_管仲国.docx（27页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析_管仲国 桥梁建设年第卷第期（总第期） ，（ ）文章编号：（） 城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析 管仲国，沙丽新，李建中 （同济大学土木工程国家重点实验室，上海；上海城市建设设计研究总院，上海）摘要：为了优选城市高架桥抗震支撑体系，促进减、隔震技术的合理应用，以嘉闵高架桥为 依托，针对系列标准跨桥梁，考虑不同墩高和截面尺寸，分别选用延性抗震体系与减、隔震体系，分析其地震响应规律，并通过合理匹配地震需求与结构能力，对基础等主要构件的设计参数进行了优 化分析， 在此基础上，进一步分析了种抗震体系的经济性。研究结果表明：延性抗震体系适用于高墩区，合
2、理选择墩柱截面尺寸可以显著优化结构体系，并有效降低其总体造价；减、隔震体系更适 用于矮墩区，尽管其价格远高于普通盆式支座，但采用减、隔震体系后基础部分的造价可节约，进而在总体上获得较好的经济性。 关键词：高架桥；抗震体系；延性抗震；减、隔震技术；经济性；有限元法中图分类号：； 文献标志码： 收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金项目（）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（ ） （）； （）作者简介：管仲国，副研究员，： 。研究方向：桥梁抗震。 ， （ ，；， ，）： ， ， ， ， ， ， ：； ； 城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析 管仲国，沙丽新，李建中 引言 汶川地震以后，
3、我国在总结多年理论与实践研究成果的基础上，颁布了公路桥梁抗震设计细则和城市桥梁抗震设计规范。新规范除了进一步完善结构延性设计以外，还首次系统引入了减、隔震设计的有关内容。事实上，现代结构减、隔震技术诞生于世纪年代，已在新西兰、美国、日本以及欧洲等得到了非常广泛的应用，许多经历了实震检验的减、隔震桥梁也都表现出了非常优越的抗震性能。相比之下，我国减、隔震在实际工程中的应用十分有限。新规范颁布之后，尽管相关的减、隔震应用案例逐渐增多，如映汶公路重建项目等，但从总体上看，工程应用的比重还远低于发达国家。 自世纪中期以来，关于延性体系和减、隔震体系对结构性能方面的影响，已进行了大量的相关研究，但从经济
4、性的角度，对这种体系对比研究则相对较少。等研究了墩（台）梁支撑连接方式对多跨连续梁桥的经济性影响，其中考虑了墩（台）梁固结、支座隔震以及部分固结部分隔震的混合模式，结果表明混合模式的综合经济性最好。李建中等针对我国某城市快速路高架桥进行了延性抗震体系和减、隔震体系的经济性比较，结果表明采用减、隔震体系具有更优的经济性。当前，我国城市化进程飞速发展，城市高架交通网络的建设需求非常大，这些高架交通网络除了承担日常的交通运输外，在地震时还应承担抢险救灾、人员和物资运输以及灾后重建等多重任务，其抗震性能对整个城市的防震救灾能力具有非常重要的意义。由此可见，减、隔震技术在我国的工程应用具有非常广阔的前景
5、。但由于缺乏相关工程应用经验积累，其推广应用还受到很大的限制。因此，有必要将传统的延性抗震体系与减、隔震体系进行深入、系统的对比和优化，尤其是在经济性方面，为工程师在结构设计中合理选择结构抗震体系提供更全面的参考依据。 本文以上海嘉闵高架桥为依托，进行了系列标准跨桥梁的地震反应分析，包括延性抗震与减、隔震种体系，通过参数分析和优化，对比了种体系下的结构抗震性能，在此基础上，进一步对种抗震体系的经济性进行了对比分析。 桥梁概况与结构建模 上海嘉闵高架路（北翟路至段）全长，主线标准桥为简支、桥面连续小箱梁桥，桥宽（图）。下部结构为双柱墩，倒形盖梁，高度，全线立柱高度范围（不含盖梁高度）为。场地类别
6、为四类软土场地，整体稳定性较好，可不考虑软土震陷影响。基础采用直径的钻孔灌注桩基础，桩长。地震设防烈度度，设计基本加速度为，场地系数，特征周期。地震波输入包括条根据目标谱拟合的人工波和条实震记录 。 图主线桥梁结构示意 尽管全线的墩高变化幅度较大（），但由于桥址场地较为平坦，相邻联墩高差异不大，因此各联桥均为规则桥，全线标准桥可以离散为一系列具有不同墩高的等墩高连续梁桥。根据这一特点，选取一联典型标准桥建立结构三维有限元动力分析模型。主梁、墩均采用空间梁单元模拟，二期恒载模拟为附加分布质量，承台模拟为质点，桩基采用等效土弹簧模拟桩土相互作用。延性设计体系采用普通盆式支座、主从约束模拟；减、隔震
7、体系采用铅芯橡胶支座，采用双线性本构关系。墩高工况的标准连续梁桥有限元模型如图所示，为考虑相邻联结构之间的动力相互作用，分别在左右侧增加了一联相同墩高和跨径布置的边界联。对于其他墩高工况，可以通过改变模型中墩柱的长度来实现。 结构抗震体系参数分析 桥墩抗震性能分析 延性抗震体系共考虑了种墩柱截面形式：、（纵向横向），分别记为截面、。其恒载轴压比范围：，涵盖了常用的墩柱尺寸范围；减、隔震体系墩柱仅考虑和两种截面。按的纵向截面配筋率，计算各墩柱能力需求 桥梁建设，（ ）图有限元模型 比，其中横向地震输入下考虑了地 震轴力对墩柱截图不同抗震体系墩柱地震响应 面承载能力的影响，结果如图所示。图中各系列
8、曲线的含义为：抗震体系（延性，减、隔震）地震作用（、）墩柱截面（、和）。从图可以看出，延性抗震体系各墩柱均满足地震作用下的强度需求，且安全余度较大，但在地震作用下，绝大多数均进入延性。这表明常规的墩柱设计较容易满足地震要求，但在地震下一般会屈服，因此延性抗震体系应特别注意墩柱延性能力的设计。减、隔震体系由于要求主体结构基本保持 弹性，因此墩高以下可采用截面，以上则需采用截面。 基础抗震分析与设计参数匹配 不同抗震体系承台底地震响应如图所示，从图可以看出，延性抗震体系由于受能力保护控制，横桥向的地震需求要明显大于顺桥向，但随墩高的增加，横桥向地震需求逐渐下降，顺桥向则基本不变。对于减、隔震体系，
9、纵、横向地震响应比较接近，且都随墩高的增加而增加。对比种体系可以看出，减、隔震体系对矮墩区的基础地震响应有明显优 势， 但这种优势随墩高的增加而逐渐减弱 。图不同抗震体系承台底地震响应 提高基础的承载能力除增加桩数以外，还可以通过增加配筋来实现。图所示为基础承台底的承载能力对比，从图（）可以看出，当桩基配筋率较低时，配筋率每增加，承载能力可提高。但需要注意的是， 高墩区基础的承载能力转由单桩最大承载力控制，此时增加配筋则不能持续提高承载力。此外，不同桩基布置方案（图）也会对其承载力产生明显的影响，如图（）中方案的横向承载力要明显大于纵向的，而 方案的则在个方向上基本相当。将其与基础的地震需求相
10、匹配，显然方案更适用于对横向承载能力要求更高的延性抗震方案，而方 城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析 管仲国，沙丽新， 李建中图基础承载能力 图桩不同布置方案 案则更适用于两方向需求相当的减、隔震方案。 对比图和图， 按最小能力配置给出各工况下的基础设计方案，如表所示。延性方案的基础 工程受立柱截面和高度影响明显，当立柱截面较大或高度较低时，所需要的基础规模越大。而对于减、隔震体系，基础受这些因素影响较小，可以统一地采用方案。 支座连接构造设计参数分析 延性抗震体系的支座连接部分应按能力保护进行设计，因此当墩柱截面尺寸较大或墩高较矮时，连接部分的地震响应就很大，如图所示。通常情况下，抗
11、震型的盆式橡胶支座在约束方向上的水平承载能力为竖向承载力的。即使全部支座均具有横向约束，单个墩位处的支座抗剪能力总和仍不超过，显然需要附加的限位措施。钢筋混凝土挡块是最常见的抗震限位措施，但相关研究表明，其承载能力有限（），难以承担较大的剪力需求。对于减、隔震体系，根据非线性时程分析结果， 所有工况下的支座侧向地震位移均不超过。考虑正常使用荷载下因混凝土收缩徐变、温度以及车辆制动力等的变形需求， 采用型铅芯橡胶减隔震支座，橡胶层总厚度为，支座极限变形可达（按极限剪应变计） ，可满足支座变形验算要求 。图延性抗震体系连接构件剪力 表基础方案设计 立柱高度 延性抗震体系 截面 截面截面截面减、隔震
12、体系 （） （） （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（） （） （）（） （） （）（） （） （） （）（）（）（） 注：、和分别代表桩数需增加到、根；括号中的数值代表单桩配筋率；“”表示基础所需桩数已超过根桩， 实际上已不可行。 桥梁建设，（） 抗震体系经济性对比 梁式桥主要由上部结构、支座、盖梁、立柱、承台、基础以及附属结构几部分组成。对于主梁、桥面系和防撞墙等，各标准跨基本相同，属于价格不变部分，平均单跨造价约合万元。支座、立柱以及基础部分为造价可变部分，可根据上海市市政工程年月的造价信息（：），按单跨结构计算各组成构件工程造价。 图所示为不同结构抗震体系的工程造价对比，其中
13、价格曲线的突变主要是由于桩基数量或配筋率的不连续变化引起的。从图可以看出，延性抗震体系的工程造价受墩柱截面影响较大，采用截面要比采用截面的下部结构工程造价平均高出。这主要是墩身强度对基础工程的影响所致，较大的墩身强度导致较大的基础地震需求，而桩基在总体工程造价中的比重又较大，约占工程总造价的（图），因此桩基部分工程造价的增加会明显增加工程总造价。由此可见，适当优化墩柱截面强度，控制桩基用量，可显著减小延性抗震体系工程造价。此外，图也显示，矮墩区延性抗震体系的工程造价要明显高于采用相同截面的中、高墩区，同样这也是由于矮墩对基础的地震需求较大所致。这表明：矮墩区采用延性抗震体系并不具有经济性优势。
14、 对于减、隔震体系，可以看出其工程造价随墩高近似呈线性增长趋势。与延性抗震体系相比，其在矮墩区的价格优势十分明显。尽管铅芯橡胶支座的单价约为相同吨位盆式橡胶支座的倍，但其在结构总体造价中的比重仅为，而根长、直径、配筋率的单桩造价约 合 图不同抗震体系造价对比 万元，相当于个铅芯橡胶支座的价格；同样，将桩基配筋率下调为，根桩的基础则可节约万元，相当于个铅芯橡胶支座的价格。可见，减、隔震体系对基础部分的造价节约可以有效弥补减、隔震支座的费用增幅。但随着墩高的增加，延性抗震体系对基础的抗震需求也逐渐降低，减、隔震体系的优势也随之减弱，如图所示，在中、高墩区，减、隔震体系的总体造价逐渐逼近，甚至反超延
15、性抗震体系的造价。 表所示为最终的结构抗震体系建议方案，对墩柱和基础的设计参数进行了适当的统一，最大程度地简化了施工要求。其经济性分析结果也列于图 表嘉闵高架线路抗震体系建议方案 柱高抗震体系立柱截面类型桩基 减、隔震（）延性（）延性（ ） 图不同抗震体系分项造价分析（墩高） （） 城市高架桥抗震支撑体系优化设计与经济性分析 管仲国，沙丽新，李建中 中，可以看出，该方案很好地融合了减、隔震体系和延性体系的优势。 结论 本文基于我国两水准设防的新规范体系，对城市高架桥的结构抗震体系优化展开研究。以上海嘉闵高架桥为研究对象，分别分析了延性抗震体系与减、隔震体系的地震响应规律，并基于构件地震需求与能
16、力合理匹配，进行了相关的设计参数优化。在此基础上，对种抗震体系进行了经济性对比研究，划分了种体系的合理应用范围，并给出最终建议设计方案。主要研究结论如下： （）高架桥采用延性抗震体系较容易满足地震下的强度需要，但在地震作用下，墩柱一般会进入屈服，受能力保护设计原则的影响，基础部分的地震需求受墩柱截面强度和墩高的控制非常明显，合理设置墩柱的强度可以较好地控制基础部分的设计规模，并改善其经济性指标。 （）减、隔震体系可以有效地减小基础部分的地震响应。尽管隔震支座的单价比常规支座高，但支座在结构总体造价中的比重并不大，在中、低墩区，减、隔震体系对基础部分的节约，可以有效弥补采用减、隔震装置带来的造价
17、增长，从而获得较好的经济性。 （）总体上，城市高架桥在高墩区适宜采用延性抗震体系，在矮墩区适宜采用减、隔震体系，两者之间的合理分界可通过经济性分析加以确定。 参考文献（）： ，公路桥梁抗震设计细则（， ） ，城市桥梁抗震设计规范 （， ） 刘健新，赵国辉，李加武汶川地震及中国公路桥梁抗震设计规范的变迁交通科学与工程，（）： （， ，（）： ） ，（）： ，（）： ，：，（）： 冯凌云，叶爱君多跨连续梁桥的减、隔震应用研究桥梁建设，（）： （， ，（）：） 范立础，王志强桥梁减、隔震设计北京：人民交通出版社， （，：，） ，（）： ， ，（）： 管仲国，李建中城市高架桥合理抗震体系选择与经济性对
18、比地震工程与工程振动，（）： （， ，（）： ） 葛继平，管仲国，李建中群桩基础桥梁抗震分析简化模型结构工程师，（）： （， ， ，（）：） ， ，（）： 桥梁建设，（ ）管仲国 ， 男，副研究员年毕业于石家庄铁道学院交 通土建工程专业，工学学士， 年毕业于大连理工大学结构工程专业，工学硕士，年毕业于同济 大学桥梁与隧道工程专业， 工学博士。研究方向：桥梁抗震 ： 沙丽新 ， 女，高级工程师年毕业于哈尔滨建筑大学桥梁与隧道工程专业，工学学士，年毕业于哈尔滨工业大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，年毕业于同济大学桥梁与隧道工程专业，工学博士。研究方向：桥梁结构 ： 李建中 ， 男，教授，博导年毕业于铁道兵工程学院交 通土建工程专业，工学学士， 年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学硕士，年毕业于同济 大学桥梁与隧道工程专业， 工学博士。研究方向：桥梁抗震 ： （编辑：姜辉）