預制箱梁橋橋墩抗震設計分析

楊竹林 王攀峰 楊建中

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

預制箱梁橋橋墩抗震設計分析

楊竹林 王攀峰 楊建中

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

結合三河市泃河預制箱梁橋的設計工作，采用MIDAS CIVIL有限元計算軟件建立橋梁整體空間動力模型，給出了預制箱梁橋前四階的自震周期和頻率、研究了橋墩墩頂位移過大、塑性鉸抗剪不過的處理辦法，和反應譜計算抗震時減隔震支座的模擬方法，為預制箱梁橋的橋墩抗震設計提供參考。

抗震設計 減隔震支座 預制箱梁

我國是地震多發的國家，強烈地震的發生不僅對國家造成很大的經濟損失，而且會造成大量人員的傷亡。橋梁是交通運輸的咽喉，在抗震救災中起著重要的作用，因此對橋梁進行抗震設計十分必要。

本文結合三河市候譚縣泃河大橋的設計工作，研究預制箱梁橋橋墩的抗震設計。

1 橋梁概況

圖1 橋型圖

圖2 橋梁斷面圖

泃河大橋位于河北省三河市境內，跨越南北走向、上口開口寬約100m的泃河，場地抗震設計烈度為8 度，水平向動峰值加速度0.2g。橋梁上部結構采用先簡支后連續的預制箱梁，跨徑組合為3×35m，雙幅橋，單幅寬度13m，每幅布置4片預制箱梁。下部結構采用雙柱式混凝土鉆孔灌注樁基礎，柱徑1.5m，樁徑1.6m橋墩樁長55m，橋臺樁長45m，橋型見圖1。橋梁設計荷載等級為公路—Ⅰ級，橋寬方向布置為：1.5m人行道+3m非機動車+2×3.75m機動車道+0.5m路緣帶+0.5m防撞護欄+1m分隔帶+0.5m防撞護欄+0.5m路緣帶+2×3.75m機動車道+3m非機動車+1.5m人行道，總寬27m，橋面橫坡2%，橋梁上部斷面見圖2。

2 橋墩抗震設計分析

2.1 計算模型

圖3 橋梁計算模型

合理正確的計算模型，是橋梁抗震設計分析的基礎。本橋設計采用MIDAS Civil 2010建立

了包括主梁、蓋梁、橋墩、系梁、樁基的整體空間有限元模型，模型共674個節點，680個單元。如圖3所示。

主梁建模采用梁格法，縱梁為C50混凝土，虛擬橫梁采用無自重、彈模同主梁一致的材料，模擬主梁間的橫向連接。蓋梁、墩柱、樁基均為C30混凝土，用彈性連接模擬支座剛度，采用土彈簧模擬樁基與地基土之間的相互作用，地基土動力狀態下水平向抗力的比例系數取2.5倍的靜力狀態下的值。

2.2 抗震設計計算

《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/TB02-01-2008）中根據各類橋梁在抗震救災以及在經濟、國防上的重要意義或破壞后修復（搶修）的難易程度，將橋梁的抗震設計類別分為A類、B類、C類和D類，分別對應不同的抗震設防目標 。橋梁在地震作用下，上部結構一般不易損壞，橋梁抗震設計主要是對下部結構（橋墩）的抗震設計。泃河大橋是位于一級公路上的大橋，對應的抗震設計類別為B類。B類橋梁抗震對于橋墩的要求是：E1狀態下橋墩處于彈性工作狀態，E2地震作用下橋墩進入塑性工作狀態，但橋墩塑性鉸的轉動能力或墩頂位移應滿足規范的要求。

泃河大橋橋位處場地特征周期為0.35s，場地抗震設防烈度為8度，水平向設計基本地震動加速度峰值為0.20g。場地土層等效剪切波速為165m/s，覆蓋層厚度大于50m，為中軟土，III類場地，場地系數Cs=1.2，橋梁結構阻尼比ξ=0.05，對應E1地震作用時抗震的重要性系數為Ci=0.50，水平向動峰值加速度0.27g；E2地震作用時抗震的重要性系數為Ci=1.70，水平向動峰值加速度0.92g。E1地震作用下水平向加速度反應譜見圖4。

圖4 E2地震水平設計加速度反應譜

為驗算橋梁橋墩塑性鉸的轉動能力或墩頂位移是否滿足規范的要求，需要得到橋墩在最不利軸力下等效屈服的曲率和極限破壞狀態的曲率，即橋墩軸力-彎矩-曲率曲線（P-M-Φ曲線）。本橋橋墩等效屈服彎矩為5363.21kN·m，等效屈服曲率為0.002344，極限屈服彎矩為5588.05kN·m，極限屈服曲率為0.009712，橋墩的P-M-Φ見圖5。

圖5 橋墩的P-M-Φ曲線

2.3 抗震計算成果及分析

采用多重Ritz向量法對橋梁縱橋向X方向、橫橋向Y方向各20階震型進行特征值分析，得到縱橋向陣型參與有效質量為95.74%，橫向橋振型參與有效質量為94.78%，滿足規范中所考慮的振型階數在計算方向獲得90%以上有效質量的要求。橋梁結構前四階自震特性見表1，震型見圖6-9。

表1 橋梁自振特性

圖6 橋梁第一階振型

圖7 橋梁第二階振型

圖8 橋梁第三階振型

圖9 橋梁第四階振型

地震作用效應采用CQC法計算，橋梁在恒荷和地震作用下彎矩圖，見圖10。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.013

TV148

B

1672-2469(2014)12-0038-02

楊竹林（1972年—），男，教授級高級工程師。