金水路打通工程高架橋梁抗震分析

岳章勝，張厚民，蔣海軍，張魯明

(1.青島市政工程設計研究院,山東青島 266071;2.中南工程咨詢設計集團，湖北武漢 430071)

1 工程概述

金水路是貫穿青島市李滄區東西向的交通大動脈，橋梁工程西起環灣大道，向東跨越青島火車北站、安順路、既有膠濟鐵路及四流路后落地，全長2.1 km。環灣大道至四流路段地表覆蓋有10 m左右的建筑垃圾，表層垃圾土沉積將近10年，為中軟土，屬抗震不利地段。本文選取跨徑組合為35+40+35=110(m)的標準聯為例進行抗震分析。標準聯橋寬25 m，采用單箱三室的預應力混凝土連續箱梁，梁高2.2 m，支座采用QZ球形支座，橫向設置兩排橋墩，橫橋向間距5 m，橋墩采用2 m×2 m的Y型墩，墩高10 m，承臺尺寸為3 m（橫向）×6.3 m(縱向)×2.5 m(高),每個承臺下設置2根直徑1.5 m的樁基，樁基嵌入中風化安山巖不小于1.5 m。由于兩個橋墩承臺間有管線通過，無法設置承臺間的橫向連系梁，基礎橫向剛度小，因此，有必要對此種情況下的橋梁結構進行抗震驗算。

2 計算模型及主要參數

根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）規范附錄A之規定，青島市區抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值0.05 g，屬設計地震分組第三組，橋位處場地為Ⅱ類，設計特征周期0.45 s。承臺底0～7 m深地基土主要為建筑垃圾，7～11 m深地基土為淤泥質黏土，11～15 m深地基土為強風化安山巖，15 m以下為中等風化安山巖。

根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）可知該橋梁屬于B類，對于6度區，僅需利用反應譜法進行E1地震作用下的抗震驗算，并滿足相關構造和抗震措施的要求即可[1]。本文按照規范要求僅進行E1地震作用下多振型反應譜分析。建模采用MIDAS/civil軟件，上部結構采用單梁模型，下部結構采用空間桿系模型，樁與土的相互作用采用土彈簧進行模擬，彈簧剛度計算按照《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007）進行，并考慮了2.5的動力系數。

3 計算圖式

該橋的動力特性分析采用空間結構計算圖式[2]，由于截面為箱型，故采用單主梁模型，橋墩按實際尺寸模擬。該橋計算考慮三種工況。工況一：每個橋墩下順橋向設置兩排、橫橋向設置一排直徑為1.5 m的樁基，橋墩與樁基通過2.5 m厚的承臺連接 ,兩個橋墩承臺不相連。工況二：每個橋墩下順橋向設置兩排、橫橋向設置一排直徑為1.5 m的樁基，橋墩與樁基通過2.5 m厚的承臺連接，兩個橋墩承臺間通過1.5 m×1.5 m鋼筋混凝土系梁相連。工況三：兩個橋墩共用一個承臺，承臺尺寸為 6.3m(順橋向)×8.0 m(橫橋向)×2.5m(厚),承臺底順橋向設置兩排、橫橋向設置兩排直徑為1.5 m的樁基。詳見圖1～圖3。

3.1 墩梁約束模擬

抗震計算模型考慮上下部的共同剛度，支座和橋墩剛度串聯計算。盆式支座固定方向剛度可視為無限大，取DX=DY=DZ=10 000 000 kN/m，支座活動方向釋放約束。

3.2 樁基約束模擬

橋梁抗震分析模型考慮樁土的共同作用，樁土的共同作用采用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度采用表征土介質彈性值的m參數來計算[3]：

圖1 不同工況基礎結構形式圖(單位：cm)

圖2 全橋模型

圖3 設計反應譜

式中：a為土層厚度；b為該土層在垂直于計算模型所在平面的方向上的寬度；z為土層深度；m為土層水平抗力系數的比例系數，m動=2.5 m靜。

4 動力分析結果

4.1 不同工況下橋梁結構動力特性分析

從表1～表3中可以看出，由于橋梁主梁剛度相對較大，前三階振型均反應出以橋墩變形為主的振型。工況1由于承臺間沒有拉結，基礎橫向剛度較弱，第一階振型為橋墩橫向彎曲；工況2和工況3由于承臺的相互連接，第一階振型均為以橋墩縱向變形為主[4]。基礎連接的加強對橋梁的縱向自振周期影響較小，從工況一的1.683 4 s逐漸變化到工況三的1.652 8 s；對橋梁的橫向周期影響很大，從工況一的2.653 s逐漸加大到工況三的0.986 6 s。

表1 工況一成橋狀態動力特性

表2 工況二成橋狀態動力特性

表3 工況三成橋狀態動力特性

4.2 不同工況下地震作用內力及位移

對三種不同工況下進行了E1地震反應譜分析（見表4、表5），計算結果表明：制動墩根部的順橋向彎距從工況一的4 987 kN·m到工況三的5 088 kN·m，變化很小；而橫橋向彎距從工況一的1 647 kN·m到工況三的4 562 kN·m，彎矩增大明顯；承臺及墩頂位移在順橋向地震作用下最大位移變化不大，而橫橋向位移顯著減小。

4.3 抗震能力驗算

對于城市普通預應力混凝土連續箱梁高架橋，抗震主要構件為墩和樁，這些構件在地震作用下以彎曲變形為主，其抗彎能力是抗震控制因素。因此，主要對橋墩及樁基礎進行驗算（見表6）。

表4 三種工況下E1地震內力（制動墩）

表5 三種工況下E1地震內力（活動墩）

表6 E1地震內力橋墩及樁基承載力驗算

5 結語

本文通過對處于抗震不利地段的城市高架橋進行了動力特性分析和地震反應譜分析，對城市高架橋的抗震特性有了比較全面的了解。計算結果說明，對處于抗震不利地段的高架橋而言，一般位于軟弱覆蓋土層區域，處于地表附近的樁側土對樁基的約束能力不足，在有條件情況下設置群樁基礎或通過設置承臺間的橫系梁可使橋梁結構振型合理、規則，能顯著減小地震作用下的橫向內力和位移，而對橋梁縱向地震作用下的內力和位移影響不大。然而，對處于6度區的高架橋梁，由于條件限制無法設置承臺間的橫系梁時，在E1地震作用下，橋梁的抗震能力也能滿足規范的相關要求。

[1]范立礎.橋梁抗震[M].上海：同濟大學出版社，1996.

[2]JTJB02—2013，公路工程抗震規范[S].

[3]CJJ 166—2011，城市橋梁抗震設計規范[S].

[4]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，1996.