簡支變連續小箱梁橋抗震性能分析

郭 相 利

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

0 引言

2008年5月發生在四川的“5·12大地震”，震級達到了8.0級。災區橋梁受損嚴重，以著名的百花大橋為例，大橋位于重災區映秀通往外界唯一道路的咽喉位置，在地震中受到嚴重損傷，部分橋段甚至發生了整體垮塌的嚴重災害，而垮塌的橋梁在短時間內又無法修復，導致通往映秀唯一的道路被切斷，給抗震救災工作造成了難以挽回的損失。

汶川地震前，橋梁抗震規范已實施多年，許多方面相比國際上的先進規范有了明顯的差距。

汶川地震中眾多橋梁的慘烈破壞，讓工程界意識到我們在抗震設計方法、抗震理念方面的落后，地震發生后不足四個月，JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設計細則即宣告實施，新規范充分總結了國內外先進科研成果和實踐經驗，增加延性設計這一先進理念，在抗震理念和方法上實現了巨大的提高。

1 項目概況

本工程跨線橋所在道路為上海西部南北向貫通的干道，其在規劃定位上屬重要省道，為設計時速60 km/h的二級公路。

跨線橋主橋上跨上海G1501繞城高速公路，跨線橋引橋部分長度約為2 km，引橋為先簡支后連續小箱梁結構。引橋抗震計算選取墩高最高且最具代表性的4×30 m一聯橋進行計算，橋梁處于直線段上，正交布置，見圖1。

引橋為左右對稱的完全獨立兩幅橋，兩幅橋之間設置50 cm的空帶，每幅橋橋面寬度均為13 m，主梁與蓋梁之間設置板式橡膠支座。蓋梁為普通鋼筋混凝土結構，橋墩立柱截面為帶圓弧形倒角的正方形，承臺下樁基為兩排直徑為80 cm的鉆孔灌注樁，見圖2。

2 空間分析模型和動力特性

橋梁動力模型和動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎，為了計算在地震作用下的結構動力響應，必須首先計算橋梁結構的動力特性[1]。采用成熟的橋梁結構分析軟件Midas/Civil 2015(V8.3.2)對本橋進行有限元分析，在模型承臺底部施加彈性支撐以模擬樁基礎，基礎剛度根據“m”法計算?？紤]到與相鄰引橋動力特性的相互影響，在連接墩上作用相鄰聯的質量模擬相鄰聯主梁反力，以模擬地震效應，見圖3。

2.1 板式橡膠支座模擬

引橋支座選取簡支變連續小箱梁橋較為常用的橡膠支座，中墩和邊墩根據支反力大小選取不同的型號，其中中墩支座為GJZ400×500，邊墩支座為GYZ400，支座厚度均為99 mm。每個支座剛度計算結果如表1，表2所示。

2.2 反應譜和地震波

本地區地震設防烈度為7度；場地類型為Ⅳ類；地震動峰值加速度0.1g；橋抗震設防類別為C類；地震動反應譜特征周期0.40 s；E1地震抗震重要性系數為0.34，E2地震為1.0，見圖4，圖5。

表1 GJZ400×500×99支座剛度計算

表2 GYZ400×99支座剛度計算

本橋為規則橋梁，且橋位不處于地震斷裂附近，根據規范，抗震計算時可只考慮水平向地震作用，不考慮豎向地震作用。

2.3 結構動力特性分析

本橋結構自振周期、振型特征如表3所示。

表3 橋梁動力特性表

本橋共進行了前50階振型分析，累計振型參與質量超過99%，滿足規范不小于90%的要求。

3 E1地震抗震驗算

3.1 墩柱驗算

在本橋有限元模型中同時輸入順橋向和橫橋向E1地震動加速度反應譜，以考察橋梁結構E1地震作用下的性能。橋墩立柱與承臺相接處截面承受地震作用下橋墩結構的最大彎矩，其截面驗算情況如表4所示。

表4 E1地震下反應譜計算結果

經驗算，橋墩立柱全截面均為彈性狀態，符合規范關于強度設計的要求。

3.2 樁基礎驗算

樁基礎采用“m”法計算，樁基反力如表5所示。

表5 地震E1作用下樁基反力

同時考慮橋梁樁基所受縱橫向地震作用，角樁最大反力為2 122 kN，小于每根樁的豎向承載力2 722 kN，鉆孔灌注樁豎向承載力滿足要求。角樁的最大樁身彎矩為163 kN·m，經驗算，樁基截面處于彈性狀態，滿足規范要求。

4 E2地震抗震驗算

在E2地震工況下，橋梁結構橫橋向各截面結構內力并未超過結構抗力，橋墩立柱各截面均保持彈性。縱橋向內力較大，橋墩立柱底部截面已進入塑性狀態，需對橋梁墩頂截面位移等相關指標進行驗算。

4.1 墩柱變形驗算

在E2地震作用下，橋墩立柱底面順橋向最大彎矩為4 074 kN·m，大于縱橋向立柱屈服彎矩3 815 kN·m，立柱底面已部分進入塑性，需對結構縱橋向結構剛度進行折減，并對橋墩立柱縱橋向變形進行驗算。

表6 E2地震作用下墩頂縱橋向位移

由表6可見，在E2地震作用下，縱橋向墩頂位移為0.071 m，小于容許位移0.349 m，立柱變形能力可滿足規范規定。

4.2 墩柱抗剪能力驗算

橋墩立柱的剪切破壞屬于脆性破壞，破壞發生時無明顯變形且迅速，極易造成結構整體垮塌，造成嚴重的災害。規范要求，墩柱抗剪應按照能力保護原則設計，以避免發生脆性的剪切破壞。

表7 墩柱塑性鉸斜截面抗剪強度驗算 kN

由表7可知，墩柱底部塑性鉸區域剪力設計值小于截面抗剪承載力，截面抗剪能力滿足規范要求。

4.3 橋墩蓋梁驗算

蓋梁是支撐上部小箱梁的主要構件，蓋梁一旦發生破壞將會引起上部結構垮塌等嚴重的災害，根據規范要求，蓋梁應按照能力保護原則設計。

由表8可知，橋墩蓋梁各截面均處于彈性，結構抗力滿足要求，蓋梁在E2地震作用下不發生損傷，可保證上下部結構之間傳力順暢。

表8 橋墩蓋梁抗彎、抗剪設計驗算

4.4 橋梁支座驗算

支座將主梁、附屬構造、汽車荷載等產生的豎向作用傳遞給蓋梁、立柱和基礎，并適應上部結構產生的變形，是保證橋梁結構成立的基本部件，地震工況下支座破壞極易造成落梁等嚴重災害，見表9。

表9 E2地震下橡膠支座厚度驗算 m

根據計算，支座各項性能可保證在地震作用下不發生破壞并保持穩定，不發生滑動。

4.5 樁基礎驗算

由于橋梁樁基礎為隱蔽工程，地震中受到破壞后較難修復，根據規范，橋梁樁基礎按照能力保護原則進行設計，樁基驗算如表10所示。

表10 地震E2作用下樁基反力

本橋樁基持力層為細砂，性狀較好，根據規范，E2地震下每根樁樁基豎向承載力可提高1.3倍，達到3 538 kN，大于角樁最大反力為2 779 kN，角樁的最大樁身彎矩為245 kN·m，經驗算，樁基截面尚處于彈性，可滿足E2地震作用下不發生損傷的要求。

5 結語

本文以上海地區某跨線橋引橋為例，采用多振型反應譜法對橋梁結構進行詳盡的抗震分析驗算。通過分析可知，橋梁結構在E1,E2地震下均具有良好的抗震性能，可滿足規范對于本橋的抗震設防目標要求。

本文所述橋梁橋跨較多，且結構類型相同，通過對典型橋跨的抗震分析，可使設計人員在保證橋梁結構抗震性能的前提下，進一步提升設計水平，優化橋梁總體布置及各構件截面尺寸，可減少工程浪費，提高項目經濟性。

參考文獻：

[1] 范立礎,卓衛東.橋梁延性抗震設計[M].北京:人民交通出版社，2001.