大跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)分析

陳禮榕

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院,福建福州350004)

連續(xù)剛構(gòu)橋具有整體剛度大、后期養(yǎng)護(hù)費用少,施工方便等優(yōu)點,在我國公路工程得到廣泛應(yīng)用。這類橋橋墩多采用雙肢薄壁等柔性墩,抗推剛度較小,能有效減少溫度、混凝土收縮徐變和地震的影響,但它的應(yīng)用也受到聯(lián)長和墩高的制約[1]。

1 工程概況

洋里特大橋是福州長樂國際機(jī)場高速公路控制性的重要構(gòu)造物,其位于福州市晉安區(qū),場區(qū)屬沖海積平原地貌,地勢平坦,地形開闊,地表為民用建筑和耕植地。洋里特大橋總長1 631.5m,主橋采用(100+168+100)m變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁,1號剛構(gòu)墩墩高為15.7m,高跨比僅為1∶10.7,主橋布置見圖1。

洋里特大橋?qū)俅笮凸窐蛄?橋址位于華南沿海地震帶北段和臺灣海峽地震帶西段。臺灣海峽地震帶和華南沿海地震帶是我國大陸地區(qū)地震活動性最強(qiáng)的地震帶之一,歷史上曾發(fā)生過多次破壞性地震。為確保主橋在地震作用下有足夠的抗震性能,對主橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析。

圖1 主橋橋跨布置

2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)與計算參數(shù)

根據(jù)《洋里特大橋工程地質(zhì)評價綜合圖表》,洋里特大橋主橋橋址處淤泥層較厚,厚度超過20 m,工程場地類型為Ⅲ類,抗震設(shè)防烈度為7度,地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.55 s。

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008),洋里特大橋主橋的抗震設(shè)防類別為A類。豎向地震動加速度峰值取為相應(yīng)的水平地震動加速度峰值的1/2,其譜形參數(shù)與水平向的譜形參數(shù)相同。設(shè)計反應(yīng)譜參數(shù)取值見表1。

?

3 主橋空間有限元模型的建立

利用大型結(jié)構(gòu)分析軟件MIDAS 7.4,建立洋里特大橋主橋空間動力計算模型,采用有限元方法進(jìn)行地震響應(yīng)分析。在計算模型中,主梁、橋墩、承臺及樁基礎(chǔ)均采用三維梁單元模擬。樁-土結(jié)構(gòu)相互作用中必須考慮與應(yīng)變水平有關(guān)的土壤性質(zhì),樁基周圍土的約束作用可以用等代土彈簧來模擬[2]。在主橋動力計算模型中,約束和邊界條件處理為:對于邊墩的GPZ盆式支座,采用剛性連接單元模擬,縱橋向鉸接,橫橋向和豎向固結(jié);采用剛性連接單元模擬墩-梁固結(jié)。

4 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

采用多振型反應(yīng)譜分析方法對洋里特大橋主橋分別在E1和E2地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分別進(jìn)行計算分析。在反應(yīng)譜分析中,為保證計算精度,按振型疊加法計算結(jié)構(gòu)的最大地震響應(yīng)時,考慮的振型階數(shù)均在計算方向獲得90%以上的有效質(zhì)量,振型組合采用CQC法。

大跨連續(xù)剛構(gòu)箱梁上部結(jié)構(gòu)箱梁剛度大,不控制抗震驗算,故主要分析下部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

4.1 E1地震作用響應(yīng)分析

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)和《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004),最不利地震響應(yīng)內(nèi)力與成橋階段內(nèi)力進(jìn)行組合,經(jīng)比較分析,縱向地震作用控制橋墩抗震設(shè)計,樁基在橫向組合地震響應(yīng)內(nèi)力較大。具體計算結(jié)果如表2和表3所示。

?

?

由表2、表3可知,E1地震作用下,主墩和樁基強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求;樁基強(qiáng)度富余較多,不控制設(shè)計。

4.2 E2地震作用響應(yīng)分析

在E2地震作用下,主墩進(jìn)入較明顯彈塑性狀態(tài);按照抗震設(shè)防目標(biāo)的要求,此時應(yīng)保證整體結(jié)構(gòu)在E2地震時只產(chǎn)生有限損傷,需要對各橋墩的變形能力(主要是延性)和樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度進(jìn)行驗算。橋墩的變形能力驗算通常采用截面M- 分析方法。為了保證E2地震作用下主墩具有足夠的延性,應(yīng)按下式檢算各墩潛在塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)動能力:

式中:θp為E2地震動作用下橋墩潛在塑性鉸區(qū)截面的塑性轉(zhuǎn)角;K為安全系數(shù),取K=2.0。表4為各墩變形能力的驗算結(jié)果。

由表4可知,洋里特大橋主橋橋墩的變形能力均能滿足E2地震動作用下的位移需求。經(jīng)計算分析,樁基強(qiáng)度不控制抗震驗算。

洋里特大橋主橋0號和3號交界墩頂均設(shè)有單向活動和多向活動球形鋼支座各一個,其縱向容許位移[Xe]=200 mm。E2地震作用下的支座位移驗算,驗算結(jié)果如表5所列。

?

?

由表5可知,在E2地震動作用下,主橋兩側(cè)交界墩上設(shè)置的盆式支座的位移能力均滿足抗震要求。

5 結(jié) 論

連續(xù)剛構(gòu)橋采用柔性墩,能有效減少溫度、混凝土收縮徐變和地震的影響,但它的應(yīng)用受墩高的制約。大跨矮墩連續(xù)剛構(gòu)箱梁高跨比較小,下部結(jié)構(gòu)控制抗震設(shè)計。洋里特大橋采用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震響應(yīng)分析,在E1和E2地震作用下,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求;在E2縱橋向地震作用下主墩進(jìn)入彈塑性狀態(tài),需進(jìn)行延性設(shè)計;本橋主墩樁基采用縱向雙排6根群樁基礎(chǔ),下部橫橋向剛度大,樁基的橫向地震響應(yīng)內(nèi)力較大。

[1]陳福壽.矮墩連續(xù)剛構(gòu)橋的實現(xiàn)[J].公路,2004(6):84-86

[2]陳禮榕.大跨剛構(gòu)拱橋的組合有限元計算分析研究[D].西南交通大學(xué),2005