高烈度區常規梁橋抗震分析

張科峰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我國位于世界兩大地震帶之間（環太平洋地震帶與歐亞地震帶），是一個地震多發國家之一。2008年的汶川大地震造成數十萬人的傷亡，直接經濟損失8萬多億元，為我國成立以來破壞性最強、波及范圍最廣、傷亡人數最多的地震之一，至今依然深深地刺痛著每一個國人的心靈。隨著經濟的快速增長，越來越多的高等級公路不可避免地要經過一些高烈度地區，作為抗震救災、震后重建的生命線工程中的樞紐——橋梁，其抗震性能就顯得尤為突出。

簡支轉連續梁橋以其施工方便、造價低廉等優勢，在山西高速中占有重要的地位，此類橋梁中雙柱式墩又是最常見的形式。然而目前，對于此類量大面廣橋梁的抗震研究卻并不多見，但地震對于此類橋梁的破壞卻是巨大的，強震下有些甚至造成毀滅性的破壞，給人民生命財產造成無法挽回的巨大損失。本文以省內某高速上的一座大橋為例，采用Midas有限元分析軟件建立空間模型，并結合《公路橋梁抗震設計細則》（JTGT B02-01—2008）（以下簡稱 08細則），對該橋進行抗震分析，其計算方法與結果可供同類橋梁抗震設計參考與借鑒。

1 項目概況

該橋位于某國高網山西境內高速上的一座大橋，上部結構采用部頒10×30 m先簡支后連續預應力混凝土箱梁，下部結構采用1.6～1.8 m和1.6～1.8～2.0 m柱式墩，最大墩高30 m，主筋分別為36φ28和40φ28，箍筋采用φ12螺旋筋，在墩頂、墩底4 m范圍間距10 cm，其余區段間距15 cm。橋臺及分聯墩處為四氟板滑動支座，其余各墩均采用板式橡膠支座。橋臺采用肋板臺，工字型承臺下接4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎。橋梁設計荷載為公路—Ⅰ級，橋面凈寬2×11.75 m。

2 有限元模型

為充分考慮鄰跨橋梁的約束影響，采用Midas建立全橋三維模型。上部結構采用能夠反映上部質量分布和剛度特性的簡化空間梁單元模擬[1]，聯間伸縮縫采用一般連接模擬，板式橡膠支座采用彈性連接，其剪切剛度按式（1）計算：

樁基考慮樁土效應，以等代土彈簧模擬，其剛度k=abpmZ[2],式中a為土層厚度，bp為樁基計算寬度[3]，m取2.5倍m靜，Z為土層深度，全橋三維模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

3 動力特性計算

根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，該橋地震動峰值加速度0.2g，抗震設防烈度為8度，特征周期0.35 s，地質詳勘報告中橋位處場地類別為Ⅲ類。根據08細則本橋屬于B類規則橋梁，結構阻尼比取0.05。結構基本周期為2.319 s，基頻為0.431 Hz，橋梁前10階模態結果如表1所示。模型考慮120階振型，參與質量分別為順向：96.05%，橫向：95.78%，滿足規范要求90%以上有效質量要求[4]。典型振型圖如圖2所示，一階振型為順橋向平動，說明本橋縱向抗推剛度較弱。

表1 前10階頻率及周期

圖2 一階振型（順橋向平動）

4 反應譜分析

根據08細則6.1.4條規定，本橋E1、E2采用反應譜進行抗震分析，相關參數如表2所示，譜曲線如圖3所示。

表2 設計加速度反應譜參數表

圖3 水平設計加速度反應譜

4.1 E1作用下驗算

根據以往經驗，地震作用下主梁發生破壞的情況較少，而橋梁下部結構及基礎的損壞最為常見。因本橋樁基、支座按能力保護構件驗算，因此本橋E1地震作用下僅對橋墩進行強度驗算。荷載組合：E1地震作用+永久作用，組合后按規范[5]對橋墩進行強度驗算，結果如表3所示，地震效應采用CQC法計算。

表3 E1橋墩強度驗算結果

4.2 E2作用下驗算

根據08細則，E2地震作用下，規則橋梁需進行位移驗算和能力保護構件驗算，模型中延性構件的有效截面抗彎剛度按公式6.1.6進行了調整。鑒于篇幅本文僅對墩身和樁基進行能力保護構件驗算。

4.2.1 位移驗算

由于本橋均為雙柱式墩，橫橋向墩頂容許位移應用pushover法求解較方便[6]，但本橋橫向橋墩仍處于彈性狀態，所以均能滿足規范要求。縱向墩頂位移按規范7.4.6條計算，等效屈服曲率和極限破壞曲率由M-Ф曲線確定，結果見表4。

表4 E2縱向墩頂位移驗算結果 m

4.2.2 能力保護構件驗算

4.2.2.1 橋墩抗剪驗算

經計算本橋橫向仍處于彈性階段，故只對本橋順向塑性鉸進行抗剪強度驗算。對各墩底塑性鉸是否進入塑性判斷如表5。

表5 塑性鉸區域彈塑性狀態 kN·m

由結果可知，本橋縱向除1號墩外，其余各墩塑性鉸均未進入塑性。1號墩塑性鉸抗剪驗算按規范7.3.4、6.8.2 條執行號墩墩底M-Ф曲線如圖4所示，經計算1號墩墩底塑性鉸區域Vc0=665 kN，，塑性鉸抗剪強度滿足規范要求。

圖4 1號墩墩底M-Ф曲線

4.2.2.2 樁基驗算

樁基礎作為能力保護構件，在E2地震作用下應保證在彈性范圍，即樁基最大彎矩應小于等于等效屈服彎矩Meq。由計算結果可知，全橋各墩縱、橫向最大彎矩均小于等效屈服彎矩，所以樁基滿足規范要求。

表6 E2地震作用下樁基驗算

5 結語

08細則采用兩級設防、兩階段設計思路，相比老規范單一水準強度抗震設計增加了延性設計，并引入能力保護設計原則，可概括為：小震不壞、中震可修、大震不倒。本文依據該細則對山嶺丘陵地區常見的雙柱式連續梁橋進行抗震分析，計算結果表明該橋在E1地震作用下滿足彈性要求，在E2地震作用下橋墩塑性鉸區域抗剪強度及墩頂位移均滿足規范要求，驗證了該橋在地震作用下的安全性，其計算方法及結果也可為同類橋梁抗震設計提供參考。