立交橋大型十字交叉口抗震支座布置研究

大體積混凝土結構對溫度是十分敏感的，然而對于立交橋大型十字交叉口還需要考慮地震作用。從一般橋梁設計理念上說，對于混凝土的橋梁結構應該盡量減少約束來降低溫度引起的次內力。然而從抗震設計上考慮，剛度和質量平衡是橋梁抗震理念中最重要的一條，對于相鄰橋墩高度相差較大導致剛度相差較大的情況，水平地震力在各墩間的分配一般不理想，剛度大的墩將承受較大的水平地震力，影響結構的整體抗震能力，然而這種機理的紐帶是梁與墩之間的支座，水平地震力就是根據各墩和支座構成的串聯體系的水平剛度按比例進行分配的，因此支座的布置形式對于結構的整體抗震能力影響很大。本文以某立交橋大型十字交叉口（位于立交橋兩線交叉處，交叉口面積達7826.7m2，上部結構整體采用網格箱梁布置，梁高均為1.8m；其中，兩個方向長均為111m、寬均為36.5m；外型四角采用圓弧連接，并設置懸臂，圓弧半徑為35m，懸臂長175cm，懸臂端厚20cm，懸臂端部厚45cm，為普通鋼筋混凝土結構。下部結構采用一柱一樁形式。橋墩采用1.8×1.8m鋼筋混凝土立柱；基礎采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。墩柱平面布置圖如圖1所示。）為例進行不同支座布置形式對溫度效應和抗震能力的影響規律研究。

圖1 十字交叉口處橋梁結構

圖2 形式一布置墩柱平面布置圖

1 支座布置形式

由于本十字交叉口為整體現澆鋼筋混凝土結構，且面積較大，故考慮溫度效應和抗震性能，支座布置將分成下列幾種形式進行探討：

(1)形式一：采用一般連續梁橋的支座布置理念進行抗震支座的布置，即球鋼抗震支座帶狀布置如圖2所示，其余支座采用多向活動支座。

(2)形式二：采用球鋼抗震支座核心區布置如圖3所示，其余支座采用多向活動支座。

(3)形式三：采用高阻尼橡膠支座全橋布置，支座剛度的選取參考了常規的高阻尼橡膠支座，支座水平剛度近似按2.4kN/mm選取。

圖3 形式二布置

圖4 有限元計算模型

2 有限元分析

采用MIDAS對于采用不同支座布置形式的大型交叉口橋梁結構進行溫度效應和抗震能力的計算分析。利用三維空間梁格法進行建模，建模過程中把箱室從頂、底板對中切開成工字形，將每道腹板及其相鄰的頂、底板作為梁格縱向構件，并在懸臂板邊緣和濕接縫中央設置虛擬縱梁，結構計算模型如圖4所示。

2.1 溫度荷載

溫度荷載主要包括體系升降溫、梯度溫度。

體系升降溫：根據文獻[3]，采用寒冷地區混凝土結構的最高有效溫度標準值為34℃，最低有效溫度標準值為-10℃，考慮結構升溫工況的基準溫度為5℃，而降溫工況的基準溫度為15℃；故考慮混凝土結構的體系升溫29℃，體系降溫-25℃。

梯度溫度：混凝土箱梁梯度溫度按文獻[3]，T1=14℃，T2=5.5℃；考慮負溫度梯度，T1=-7℃，T2=-2.75℃。

2.2 地震反應譜

計算采用的反應譜按文獻[1]取用。場地采用7度區，動峰值加速度0.15g，采用規范反應譜進行計算。相關參數取值如下：Ci=1.7、Cs=1、Cd=1；按Ⅲ類場地考慮；區劃圖上特征周期為0.35s；水平向地震動加速度峰值A=0.15g。

2.3 計算結果

溫度效應和地震計算結果如圖5～圖7所示。

圖5 溫度效應引起的主梁彎矩

圖6 溫度效應引起的主梁軸力

圖7 地震引起的橋墩彎矩

3 計算結果對比分析

3.1 溫度效應計算結果對比分析

取主梁核心區進行溫度效應計算結果對比如圖8和圖9所示，可以看出溫度對于三種不同支座布置形式對主梁的彎矩影響不大；從圖9可以明顯看出，隨著支座約束的增加，溫度引起的主梁軸力隨之增加，也就是說約束越多溫度引起的次內力越大。說明支座布置形式三對于溫度效應是最不利的。

圖8 溫度引起的主梁核心區彎矩對比結果圖(kN*m)

圖9 溫度引起的主梁核心區軸力對比結果圖(kN)

3.2 地震反應譜計算結果對比分析

取地震反應譜計算的橋墩彎矩最大值進行比較，由圖7可以看出：

形式一地震作用下墩最大彎矩為10749.9kNm；

形式二地震作用下墩最大彎矩為10485.4kNm；

形式三地震作用下墩最大彎矩為1197.5kNm；

形式一和形式二參與抗震的墩有24個，形式三參與抗震的墩為140個，從上述結果可以說明隨著抗震墩數量的增加，地震引起的墩的效應相應的減小，結構能夠最大限度的提高整體抗震能力。說明形式三對于結構的抗震是最有利的。

4 結論

通過不同支座布置形式對大型十字交叉口的溫度效應和地震響應分析可以得出：隨著支座約束的增加，溫度引起的次內力隨之增大；橋梁抗震設計中支座的布置應最大限度的使更多的橋墩參與抗震，以提高橋梁結構的整體抗震能力。綜合以上兩點，在橋梁設計中應根據實際情況分析，在滿足橋梁常規設計的前提下，采用勁量多的使橋墩參與抗震的支座布置形式。