連續小箱梁橋地震響應分析

張國春

（太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002）

1 項目概況

隨著太原城市經濟的快速發展，對城市道路的改擴建也逐步加快，高架橋梁因快速通行，緩解交通擁堵起著非常重要的作用，本工程南沙河搶險路（青年路至雙塔西街）高架橋，分為南北兩條并行高架橋。南、北兩橋沿南沙河河道兩側的搶險路自青年路以西至雙塔西街以南，上跨青年路、雙塔西街。北橋設計起點樁號K2+587，設計終點樁號K3+043，橋梁總長456 m，跨徑為26～33.4 m，共14跨，橋面寬度8.5 m。南橋設計起點樁號K2+594，設計終點樁號K2+987，橋梁總長393 m，跨度為26～33.4 m，共12跨，橋面寬度8.5 m。

2 計算模型

擬建場地的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，設計地震分組為第一組，場地特征周期為0.45 s。場地土類型（20 m內）為中軟土，工程場地類別為Ⅲ類。該橋的抗震設防分類為乙類。上部模型選取其中一聯進行抗震分析計算，采用3×26 m預應力混凝土連續小箱梁，單箱單室，梁高2.0 m，混凝土采用C50；下部結構采用矩形墩、樁基礎，橋墩混凝土標號采用C35，樁基采用C30。

支座采用普通板式橡膠支座，支座設置：邊墩采用D600X153型四氟滑板橡膠支座，中墩采用D800X194圓型板式橡膠支座。根據《城市橋梁抗震設計規范》第6.2.5條規定[1]，板式橡膠支座可采用線性彈簧單元模擬，板式橡膠支座縱橋向及橫橋向的剪切剛度計算公式：k=Gd×Ar/∑t，Gd為板式橡膠支座的動剪切模量，kN/m2，一般取 1 200 kN/m2；Ar為板式橡膠支座剪切面積，m2；∑t為橡膠層的總厚度，m。板式橡膠支座豎向剛度視為無限大。

根據《城市橋梁抗震設計規范》6.2.7條及其條文說明[1]，考慮樁土的共同作用有兩種方法：

a）建立樁基單元，沿樁長設置等代土彈簧約束。

b）承臺底設6自由度的彈簧剛度模擬樁土作用。

兩種模擬方法均基于m法理論，方法1直接以地基土比例系數m值作為樁側的水平約束剛度系數，樁側的水平約束剛度與入土深度成正比；方法2按《公路橋涵地基與基礎設計規范》中附錄P[2]計算，查表計算群樁承臺位移剛度作為承臺底面彈簧約束剛度。本例采用方法1模擬，樁底固結。坐標系取順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。

采用有限元分析軟件Midas2012建立全橋空間有限元模型，主梁、橋墩、承臺、樁基均采用三維梁單元，考慮上部主梁自重及二期恒載（包括橋面鋪裝、防撞護欄、燈桿），下部橋墩、承臺及樁的重量，程序自動考慮。混凝土容重取26 kN/m3,計算時將荷載轉化為質量，橋梁地震動力分析有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型示意圖

3 自振特性分析

根據建立的動力計算模型，采用多重Ritz向量法求解橋梁結構動力特性。在計算中結構自振模態取90階，根據《城市橋梁抗震設計規范》第6.3.2條規定[1]，采用多振型反應譜法計算時，順橋向、橫橋向、豎向的振型參與質量皆達到90%以上的有效質量。成橋階段前5階自振頻率及振型特性如表1所示。

表1 結構動力特性

4 E1地震響應驗算

截面配筋如表2、表3所示。

表2 橋墩配筋

表3 樁基配筋

E1地震作用下水平設計加速度反應譜依據《城市橋梁抗震設計規范》第5.2條[1]確定。地震調整系數0.61，特征周期0.65 s，斜率調整系數0.02，阻尼系數0.05，阻尼調整系數1.0，曲線衰減系數0.9，地震動峰值加速度0.122g，反應譜峰值Smax=0.27g。

抗震重要性系數0.5，場地系數1.2，特征周期0.65 s，阻尼系數0.05，阻尼調整系數1.0，地震動峰值加速度0.2g，反應譜峰值Smax=0.27g。

E1地震作用下，墩柱應處于彈性范圍，根據《城市橋梁抗震設計規范》第7.2.1條規定[1]，順橋向和橫橋向E1地震作用效應和永久作用效應組合后，應驗算橋墩的強度，如表4所示。

表4 橋墩墩底彎矩驗算（E1地震作用下）

計算結果表明：在E1地震作用下，橋墩處于彈性范圍，滿足規范要求。

5 E2地震響應驗算

依據《城市橋梁抗震設計規范》第7.3.1條規定[1]，對于高寬比小于2.5的矮墩，可不驗算橋墩的變形，但應按本規范第7.3.2條驗算橋墩的抗彎及抗剪強度。

本例采用E2反應譜進行驗算，E2地震作用下水平設計加速度反應譜地震調整系數2.0，特征周期0.65 s，斜率調整系數0.02，阻尼系數0.05，阻尼調整系數1.0，曲線衰減系數0.9，地震動峰值加速度0.4g，反應譜峰值 Smax=0.9g。

E2地震作用下，根據《城市橋梁抗震設計規范》第7.3.2條規定[1]，順橋向和橫橋向E2地震作用效應和永久作用效應組合后，計算結果如表5所示。

表5 橋墩墩底彎矩驗算（E2地震作用下）

計算結果表明：在E2地震作用下，橋墩仍處于彈性范圍，滿足規范要求，不需要進行彈塑性分析。

根據《城市橋梁抗震設計規范》第7.4條[1]，各橋墩底縱、橫橋向斜截面剪力設計值及抗剪強度驗算如表6。

表6 橋墩抗剪強度驗算表

結果表明：E2地震作用下，橋墩塑性鉸區域順橋向及橫橋向斜截面抗剪滿足規范要求。

6 樁基驗算

根據《城市橋梁抗震設計規范》第7.4.3條[1]驗算，驗算結果如表7所示。

表7 樁頂彎矩驗算

計算結果表明：在E2地震作用下，樁基處于彈性范圍，滿足規范要求。

7 結語

太原地區地震烈度高，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.20g，在此條件下對高架橋梁、地下通道、人行天橋等結構物進行抗震分析時，必須滿足抗震設防目標要求，因此對設計人員提出更高的要求，在滿足正常使用前提下，還要對在設計使用年限內，滿足抗震要求，對設計人員來說是一個挑戰。

市政工程工期不宜過長，因對城市交通及周圍環境影響很大，本文通過對現澆連續小箱梁橋梁的抗震分析，在E1、E2反應譜計算下，滿足規范要求，不需要進行非線性時程分析，所以在設計時避免了非線性時程分析時選取地震波，定義非線性材料的復雜設計，既可以縮短工期、恢復城市交通、促進城市快速發展，又安全可靠，為太原地區的橋梁抗震設計提供了一個可靠的參考，具有借鑒意義。