中小跨徑橋梁抗震計算

董 宏 昌

(中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075)

中小跨徑橋梁抗震計算

董 宏 昌

(中交通力建設股份有限公司，陜西 西安 710075)

以某實際工程為例，通過闡述橋梁設計標準及設防目標，對中小跨徑橋梁進行了抗震分析與計算，并對計算結(jié)果進行了討論，對同類橋梁抗震設計有一定的借鑒作用。

橋梁，抗震計算，計算模型，地震力

1 概況

1.1 工程概況

某高速公路全線布設大中橋共計18座，橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用跨徑20 m～30 m裝配式預應力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式橋墩，橋臺采用重力式U臺、柱式臺或肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎。項目區(qū)地震烈度為7度，地震動峰值加速度為0.1g。

選取其中一座橋梁進行抗震計算，上部結(jié)構(gòu)采用6孔30 m裝配式預應力混凝土先簡支后連續(xù)箱梁，3孔一聯(lián)，全橋共分2聯(lián)；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎，0號橋臺采用U臺、擴大基礎，6號橋臺采用臺階式橋臺，置于基巖上。全橋采用板式橡膠支座。半幅橋梁寬度為：0.5 m(防護欄)+11.15 m(橋面凈寬)+0.5 m(防護欄)。橋型布置圖見圖1。

1.2 橋梁設計標準

設計速度：80 km/h。

荷載等級：公路—Ⅰ級。

橋梁寬度：整體式路基寬24.5 m，分上下行兩幅，單幅橋梁寬

度為12.25 m。

橋面鋪裝：采用10 cm厚瀝青混凝土+8 cm厚整體化混凝土。

抗震設防類別：B類，即抗震重要性系數(shù)E1地震下取0.5，E2地震下取1.7。

地震動參數(shù)：設計基本地震動加速度取0.1g；場地類別Ⅱ類，反應譜特征周期0.45 s。

抗震設防措施等級：8度。

1.3 抗震設防目標

依據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》，橋梁抗震設防目標：

1)E1地震作用下一般不受損傷，不需修復即可繼續(xù)使用；

2)E2地震下不致倒塌或產(chǎn)生嚴重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時加固后可供維持應急交通使用。

2 抗震計算

2.1 抗震分析

中小跨徑預制裝配式橋梁的震害主要表現(xiàn)在橋梁下部結(jié)構(gòu)，包括橋墩、橋臺、基礎、支座和支擋結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)移位、落梁等震害也是源于下部結(jié)構(gòu)的震害。所以，中小跨徑橋梁抗震計算主要是下部結(jié)構(gòu)的計算。

在地震力作用下，通常橋臺的破壞是由于上部結(jié)構(gòu)在橫向水平力和縱向水平力作用下導致?lián)鯄K破壞和背墻破壞。一般情況下橋臺剛度相對橋墩大很多，橋臺承擔的水平地震力比橋墩大。尤其對于單跨橋和跨數(shù)較少的橋梁，地震中橋臺對梁體的約束作用更明顯。在通常情況下橋臺損傷后的臨時修復和搶修相對也比較容易，因此允許橋臺背墻、擋塊、錨栓在較大地震力作用下失效，橋臺退出工作，要求橋墩能承受全部地震力以及適應地震變形。因此中小跨徑橋梁橋臺不是抗震設計的重點，抗震設計的重點是橋墩。

墩柱設計是中小跨徑橋梁抗震設計的重點。因為它是關鍵性的抗震單元，對橋梁安全影響重大。墩柱設計主要考慮兩方面：第一是正截面強度，與此相關的主要是墩柱截面尺寸和縱向鋼筋。第二是塑性鉸延性，與此相關的主要是箍筋。

在地震過程中，如果基礎發(fā)生損傷，往往難以發(fā)現(xiàn)并且維修困難。因此要求采用能力保護設計原則來進行基礎計算和設計，以保證基礎在達到它預期的強度之前，墩柱已超過其彈性反應范圍。

通過以上分析，中小跨徑橋梁抗震計算主要包括以下內(nèi)容：

1)E1地震作用下橋墩抗彎強度驗算。

2)E2地震作用下墩頂位移驗算。

3)E2地震作用下能力保護構(gòu)件驗算。

2.2 建立計算模型

采用MIDAS/CIVIL橋梁專用模塊空間有限元軟件對該橋進行抗震計算，由于橋梁為上下行雙幅橋，上下幅橋梁對稱，結(jié)構(gòu)在中央分隔帶處斷開，因此只需計算其中一幅橋梁。

模型建立時考慮樁側(cè)土體作用，通過試算比較，采用在樁頂下3倍樁徑處樁底固結(jié)，整體模型剛度能夠有效模擬樁土共同作用后結(jié)構(gòu)的剛度。

按照該橋梁實際設計中的各梁段塊件的劃分進行橋梁有限單元劃分，分別考慮不同的上下部構(gòu)造尺寸和縱向高差等因素建立整體計算模型，建模依照《公路橋梁抗震設計細則》6.3條的規(guī)定進行，考慮了基礎剛度、支座剛度和P—Δ效應，順橋向和橫橋向地震作用分別考慮。

計算模型見圖2。

2.3 計算方法

本橋抗震設防類別為B類，屬于規(guī)則橋梁，在E1和E2地震作用下均采用多振型反應譜法計算；取前40階振型，各模型在順橋向和橫橋向的累計振型質(zhì)量均超過90%；振型組合采用CQC法。

建筑場地類別為Ⅱ類。地震基本烈度為7度，地震動峰值加速度0.10g。地震動反應譜特征周期為Tg=0.45 s。

水平設計加速度反應譜最大值：Smax=2.25CiCsCdA。

其中，Ci為抗震重要性系數(shù)：E1地震作用為0.5，對應的設計

地震動重現(xiàn)期為100年，E2地震作用為1.7，對應的設計地震動重現(xiàn)期為2 000年；場地系數(shù)Cs=1.0；結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05，阻尼調(diào)整系數(shù)Cd=1.0；水平向設計基本地震動加速度峰值A=0.1g。

2.4 計算結(jié)果

1)墩柱計算。

墩柱計算是根據(jù)E1地震下的內(nèi)力驗算正截面強度，根據(jù)E2地震下的位移或變形驗算潛在塑性鉸的轉(zhuǎn)動能力，表現(xiàn)為墩頂位移，抗剪強度根據(jù)能力保護原則計算。

經(jīng)計算E1地震不控制設計，各項結(jié)構(gòu)受力性能均滿足規(guī)范要求。橋梁下部主要為E2地震作用下控制，因此僅列出E2地震作用組合計算結(jié)果。計算結(jié)果見表1和表2。

表1 內(nèi)力計算結(jié)果

表2 位移計算結(jié)果

2)基礎計算。

采用能力保護設計原則進行基礎計算，根據(jù)樁基的抗彎能力驗算強度。計算結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)力計算結(jié)果

3)通過計算橋梁滿足抗震要求，能達到抗震設防目標。

[1] JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則[S].

Seismic calculation and small-medium span bridge

DONG Hong-chang

(ChinaTrafficTongliConstructionCo.,Ltd,Xi’an710075,China)

Taking the actual engineering as an example, through describes the bridge design criteria and fortification target, the article carries out seismic analysis and calculation of the small-medium span bridge, and discusses the calculation results, which has certain guiding meaning for similar bridge seismic design.

bridge, seismic calculation, calculation model, seismic force

1009-6825(2014)11-0164-02

2014-01-07

董宏昌(1968- )，男，高級工程師

U442.55

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