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座椅式桥台参与桥式抗震设计
亚利斯多德塞萨洛尼基大学工程学院土木工程系 - 结构工程学部，混凝土和砌体结构实验室，希腊塞萨洛尼基
摘 要：基台不仅仅是挡土系统，因为他们也参与了桥梁的抗地震系（ERS）在一定的设计考虑下。 目前的研究主要集中在对整体桥台性能的评估，而只有少数研究涉及具有座椅式桥台的桥梁的设计，以考虑其抗震性能。 沿着这些线路，进行座椅式桥台的比较研究。 本研究的范围是确定其地震响应中影响甲板位移和桥墩弯矩的重要设计参数的可能差异。 这项研究使用了三个可变总长度的实桥，在伸缩缝处的开口，背板模型以及中度到强烈的地震激励。 进行非线性动态时程分析。 研究表明，桥台和支架土的有力参与可有效降低桥梁的地震需求。 但是，应该注意高墩桥梁，在某些设计条件下地震力可以增加。
关键词：桥 座椅式桥台 抗震
- 介绍
桥台不仅是设计用于支撑桥梁端部跨度的挡土系统。 地震后的侦察报告发现桥基反应，土体 - 结构相互作用和后退弹性显着影响整个桥梁系统在中等强度地面运动下的响应。 已经认识到土 - 结构相互作用对桥梁动力响应的影响并在随后的几年中在仪器化的桥梁立交桥中得到广泛的应用。 已知的支座 - 桥台 - 桥面相互作用构成了整体桥台中广泛的研究领域 并且在具有座椅型桥台的桥梁中。 在后一种情况下，即在具有座椅型桥台的桥梁中，桥台的后壁通常设计成在被桥面板撞击时脱离其底座支撑件调动背部土壤的被动阻力的高值]。 地震需求和桥梁的结构成本因此受到桥台阻力的影响。 因此，为了揭示在桥梁地震评估中触发的潜在机制，需要改变建模方法 。
公路桥梁的动态分析和桥台承载能力的建模由各个机构规定。 但是，目前的设计实践在使用基台作为桥梁ERS的一部分时有很大不同。 Sextos等人提出了用于模拟堤坝基台系统的深入关系。Kotsoglou和Pantazopoulou研究了一种对桥梁路堤相互作用敏感的公路过桥的动态响应建模方法。 Shamsabadi等人使用动态对数螺旋破坏面与改进的双曲线土体应力 - 应变行为（称为LSH土体模型）相结合来估算基台非线性力 - 位移能力，作为墙体位移和土体背景性质的函数。 分析力 - 位移表达式也通过实验研究验证。 该研究使用了不同身高和不同背部类型的基台。 威尔逊和埃尔加马尔并在一个1.7米的后墙上进行了全面的测试，并得出结论认为桥台的作用可以大大降低桥梁预计的柱移位需求。
座椅型桥台的地震参与及其对桥梁设计的影响取决于靠背的土体的动态阻力以及作为后墙，基础，翼墙和靠近方的结构构件的承载能力和质量板。 伸缩缝处的开口产生剧烈的冲击效应，进而影响桥梁的地震反应。膨胀节的设计通常遵循现行规范。欧洲规范8第2部分第2.3.6.3节（5）要求分离开口应覆盖适用性运动和部分地震位移，而CalTrans（第7.8.3节）只考虑在役动作。 由于蠕变和收缩效应的发展，地震激发开始时的伸缩缝开口会有所不同和桥的温度，导致桥面板的膨胀或收缩。 不同的设计方法可能导致伸缩缝处的不同设计情况（a）通过在伸缩缝处使用大间隙并防止冲击效应，或（b）考虑地震位移作用，从而解决桥台参与的问题，将桥面与桥台的后墙和后墙分开，以及桥梁ERS中的背部土壤。 在后一种情况下，如Mwafy等人所述，对伸缩缝处的开口建模在控制位移要求方面非常重要。
在这个框架下，本文研究了座椅型桥台在考虑或忽略桥台阻力时的地震反应。 实际上沿当代高速公路建造的三座公路桥被用作基准。 不同的设计案例试图在伸缩缝处施加不同的间隙，采用简化和更严格的背板模型以及中等到强烈的地震激励，以确定重要设计参数（即桥面板的位移和桥墩的弯矩）中桥台的影响。
- 基准桥的描述
研究中使用了三座基准桥。 这些桥梁最近沿着希腊的Egnatia和PATHE高速公路建成。 表格1 总结了结构方法，桥梁几何形状，设计地震作用和伸缩缝间隙。 所有的桥梁都是预应力甲板的混凝土结构。 较短的一条是Egnatia高速公路的Kleidi-Kouloura桥，与缩写B1相连。 这是一个现场铸造结构，共有三个跨度，长度等于135.8米。 图。1 说明了桥梁的纵剖面，箱梁桥面，桥墩及其基础的桥台，桥台和横截面。 第二座桥B2是Scarfeia-PATHE高速公路的RACH桥梁。 它的跨度和总长度等于177.5米，如图所示图2。 桥的基台是一个带有杆壁的座位型支座。 第三座桥（B3）的平衡悬臂通过两个滑动轴承安装在基台上，同时与桥墩单片连接，如图图3。 该桥有三跨，全长349.0米。
3. 建模和参数研究
三座桥梁以两种不同的方式进行建模和分析：（a）首先对基准桥梁进行建模，而不考虑基台的地震参与。 （b）其次，对所有桥梁进行了重新分析，考虑了在地震激励期间系统桥台的参与情况，假设在伸缩缝处有不同的间隙，靠背的土体模型和地震作用水平。 重点在于桥梁的纵向响应以及被认为对这项特定研究具有主要意义的参数建模。
3.1. 桥台系统的建模没有桥台后台参与
基准桥梁的分析使用了简单的三维模型。 在 图4 给出了Skarfeia-Raches桥的模型。 桥的桥面板由框架元素建模。 桥面板坐落在由Naeim和Kelly模拟的桥台和桥墩处的低阻尼橡胶支座上双线性模型。 轴承的截面直径等于500毫米和450毫米，圆形截面，弹性橡胶的总厚度分别为110毫米和99毫米在基台和墩相应。 它的横向位移受到地震连接的限制，即剪切限制。
腹板到柱连接的建模在第1节中给出 图4。 框架元素被用于桥面板的建模。 框架元件与非线性旋转弹簧串联连接，该非线性旋转弹簧为潜在塑料铰链建模，如细节1和2所示 图4。 通过RCCO-LA-90计算桥墩顶部和底部的弯矩曲率（Mu）曲线。 假设桥墩的后弹性刚度为初始弹性刚度的2％。 通过在地基的两个水平方向和垂直方向上分配线性和旋转弹簧来考虑基础的灵活性。 土壤弹簧的数值，如图所示 表2，通过获得在竣工桥梁的最终设计期间进行的土工原位测试。 其他两座桥梁的模型遵循上述程序。 桥梁B1和B3的建模和分析在以前的研究中已经详细给出。.
3.2. 考虑桥台后方地震参与的桥梁建模
考虑桥台后端地震参与的桥梁模型包括建立的桥梁模型，
在上面刻写，以及与背部土壤的基台模型。 因此，模拟了基台和背部土壤的容量和质量，伸缩缝的开口以及背部和翼部之间以及土壤和引导板之间的摩擦效应。 在动态分析过程中，也考虑了运动的大部分翼壁和腹板。
3.2.1. 后壁
在研究中使用了简化的棒和更基础的基台3-D模型。 建模的目的是识别基台的哪些结构元件强烈参与ERS和桥梁的质量。 两种模式受到纵向加载，这是兼容的由碰撞甲板在后壁顶部引起的冲击力。 图5a说明了桥B2基台的几何形状。 图5b示出了具有框架元件的后壁的简化模型。 图5c显示了在地震激励期间动基座的基台的严格模型和后座的几何形状。 严格的模型，详细显示在 图5d，用于后壁，翼壁，杆壁和桩帽的壳单元，而框架单元用于桩。 图5e给出了试图严格的基台模型的挤压视图。 简化模型和严格模型的刚度矩阵是通过反演作为结果运动的相应灵活矩阵而获得的。 最后一个是通过施加纵向力（Fx）计算的后墙纵向位移得到的，如 图5b或均匀载荷（qx），如图所示 图5C。 载荷与作用在基台处的碰撞力相对应。 在两个模型之间观察到最大5％的计算纵向运动差异（ux），即简化和严格，这被认为是令人满意的。 因此，桥台的模型是由框架单元来完成的，这些框架单元考虑了后墙的刚度。
3.2.2. 伸缩缝
发现伸缩缝处的开口取决于伸缩缝的设计，甲板的蠕变和收缩效应的发展以及桥梁的温度。 对伸缩缝处开口的估算假设了不同的设计案例以考虑这种影响：（a）根据CalTrans，伸缩缝的设计没有考虑甲板的地震活动第7.8.3节。 （b）在第二种方法中，按照欧洲规范8第2部分第2.3.6.3（5）节的规定，考虑了甲板的0.4个零点的地震位移。 在第一种情况下，桥梁伸缩缝处的间隙仅覆盖桥面板的在做运动。 因此，基台的后壁被认为是Gloyd所描述的消耗性元件和Stewart等人。 根据以前的研究结果，这表明地震激发开始时的间隙（D）在最小D分和最大D最大值之间变化。 欧洲规范1第1-5部分规定，由于最大热膨胀（DTN，EXP），最小间隙（D分）对应于设计案例1（DC1）， [12]。 最大间隙（D最大）对应于甲板由于该合同而收缩的情况最大热收缩（DTN，CON）和由蠕变，预应力和收缩效应（DTN，EQ）造成的同时缩短。 最大在役许可（D最大）被认为是第二个DC设计案例2。 在地震激发开始时分析了三种不同的桥梁结构（B1，B2和B3），其中D分为DC1 2for D最大。 Anagnostopoulos影响模型模拟了伸缩缝处可能的地震作用 如图所示 图6a和b。
由膨胀（D，EXP），收缩（D，CON）和等效热收缩（D，EQ）引起的桥面板运动由公式 (2)，其中D,i是由于i因素（即膨胀，收缩或等效收缩）引起的甲板运动，a是热膨胀系数，假定等于10-5/℃，DT TF648）是由于i因素引起的均匀温度变化，L合计是桥梁连续桥面的总长度。 假设分母等于2，因为桥面板的总体运动在其两端被减半。 表3 显示了伸缩缝处的间隙，满足了甲板的适用性需求。
在b情况下，根据欧洲规范8第2部分的规定估算伸缩缝相当于DC
如下图所示，对于桥B1，B2和B3320mm，假定伸缩缝的开口等于100mm 表格1。 最后，分析所有桥梁模型时未考虑基台的参与。 因此，该甲板可以沿纵向方向自由移动，即设计案例DC4。
（2）
3.2.3. 翼墙和接近板
翼壁和进近板通过它们的惯性质量以及由于它们与靠背接触而产生的摩擦效应参与整个桥的响应。 对于桥B1，B2和B3，接近板的长度等于5.3,4.2和4.3mu;m，厚度等于0.45mu;m。 计算它们的质量（m如）分别等于32.2,26.1和26.3t。 通过考虑板坯的重量和上覆土壤材料的重量来计算板坯与下层土壤之间的摩擦。 假定每单位体积土壤的重量等于18kN / m3。 根据Al-Gah-tani公式，假定进场板的总摩擦阻力等于总垂直荷载的40％，即考虑混凝土 - 土界面的摩擦系数等于0.4。 接近板的质量（m如）和摩擦阻力（KX，A-S）分配给后壁的深度等于距离路面0.50米，如标记9a和9b所示 图6.
也模拟了翼壁的质量（mW·
然后计算横向力，等于532.8 kN / m。 当基台沿纵向移动时产生的总摩擦力假定为该横向的40％的深度等于距离路面0.50米，如标记9a和9b所示 图6.
3.3。 参数摘要
在参数研究中纳入了三种基准桥B1，B2和B3，其长度可变（135.8,177.5和349.0 m），不同的抗震系统（刚性或通过轴承墩到桥面连接）。 采用四种不同的设计案例DC1-DC4来设计伸缩缝。 CalTrans（BM1）和更严格的LSH模型（BM2）规定的简化模型被用于模拟基台和背部土壤。 所有桥梁都受到人为加速度的影响，如图所示 图7。 加速度图与地面A，B和C相关的欧洲规范8弹性谱相容，[13]。 两种不同的峰值地面加速度（ag），即考虑了0.16克和0.24克。 图8 显示了反应光谱和三个不同地面的平均光谱类型。 使用了人造加速度计，因为桥梁的最终设计是基于欧洲标准的。
因此，在有和没有桥台地震参与的桥梁之间的比较应该在相同的地震荷载的基础上进行。 使用FEM代码SAP 2000 ver分析桥梁的非线性响应。 14.2.0。 实施动态非线性时程分析，选择平均（恒定）加速度方法Newmark。 选择质量和刚度比例阻尼，并且在分析的桥梁系统的第一和第二阶段考虑临界阻尼比等于5％和4％。 总共进行了超过1400次的历史记录。
4. 结果与讨论
通过比较影响桥梁设计的重要响应参数来评估具有或不具有桥台地震参与的桥梁的响应。 在桥梁设计，结构成本，完整性和抗震后可维修性方面，甲板的位移，桥墩的弯矩和延性要求以及桥台的响应被认为是重要的参数。
4.1. 位移
图9 显示桥梁的甲板运动的时间历史。 实线表示在地震期间基台和背部土壤强烈参与的情况下运动的时间历史，其对应于设计案例DC1。 断续 -图中的虚线表示设计案例DC4的甲板移动，其中在分析过程中未考虑系统背靠背的阻力。 时间的历史表明桥梁响应DC较小的位移1。 在桥梁B1中，桥台的位移为72毫米，而不是87毫米，桥墩和靠背土壤对桥梁ERS的贡献相当于纵向运动减少17％。 其他两座桥B2和B3的甲板的纵向位移也分别减少了29％和9％，如下面的响应时间历史所示： 图9b和c。
图中所示的时间历史 图9 也揭示了桥台的地震参与不仅影响了桥面的位移，而且影响了桥梁的周期。 发现B1，B2和B3的纵向周期分别减少了24％，30％和38％，这是考虑到桥台和支撑土的地震动力作用。 该比较对应于DC1和DC4之间的结果。 反过来，缩短周期会影响桥面的反应加速度，这些加速度是为桥梁纵向平移模式的基本模态而计算的。 B1的甲板加速度从10.8上升到12.6 m / s2，而B2和B3的加速度从13.5上升到19.9 m / s2和从1.24至5.74米/秒2相应。
部分描述了不同的设计案例 3.3 对三座基准桥进行了分析，以获得位移变化趋势。 分析表明，大多数情况下，地基和背部土体在地震中参与时，地板的地震位移
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