常規等寬高架橋的抗震計算分析與驗算

游濤

摘 要：文章以市政高架橋中常用的三聯等寬標準段箱梁橋為例，對比了反應譜分析、線性時程分析和非線性時程分析三種方法的計算結果，驗算了橋墩墩柱及橋墩系梁，結果表明：地震波沿縱橋向輸入時，反應譜計算結果和線性時程計算結果較為接近，最大誤差在20%以內；非線性計算結果遠小于另外兩種方法；地震波沿橫橋向輸入時，三種方法的計算結果較為接近；固定墩作為承擔地震力的主要構件，在設計的時候可以適當地加大固定墩的墩柱尺寸及對應的支座豎向承載能力要求；地震動沿橫橋向輸入時，橋墩系梁為抗震不利段，抗震計算時需重點考慮。

關鍵詞：等寬標準段箱梁；非線性時程；地震力；支座水平力；墩底最大彎矩；橋墩系梁最大彎矩

中圖分類號：U448.28 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）16-0020-04

Abstract： In this paper， with the example of standard box girder bridge with equal width commonly used in municipal viaduct， the calculation results of response spectrum analysis， linear time-history analysis and nonlinear time-history analysis are compared， and the bridge piers and pier girders are checked and calculated. The results show that when the seismic wave is input along the longitudinal bridge， the result of response spectrum calculation is close to that of the linear time history calculation， the maximum error is less than 20%， the nonlinear calculation result is much smaller than by the other two methods， and the seismic wave is input along the transverse bridge direction. The calculation results of the three methods are close； the fixed pier， as the main component bearing the seismic force， can appropriately increase the size of the pier and the corresponding vertical bearing capacity requirements in the design of the fixed pier； when the ground motion is input along the transverse bridge， the vertical bearing capacity of the fixed pier can be appropriately increased when the ground motion is input along the transverse bridge. The bridge piers and girders are the unfavorable seismic section， which should be taken into account in seismic calculation.

Keywords： equal-width standard segmental box girder； nonlinear time history； seismic force； horizontal force of support； maximum moment of pier bottom； maximum moment of bridge pier girder

隨著2008年汶川大地震的爆發，人們對橋梁結構的抗震分析及驗算越來越看重，特別是人口密集度高的城市快速路高架橋。市政橋梁項目設計周期由于時間緊、任務重，在抗震驗算方面，不少設計單位為了應付咨詢、審查等，一般采用定性的方法來增加抗震措施，缺乏定量的計算分析，忽略了對橋墩下部結構的抗震驗算。本文對城市高架橋常用的現澆預應力混凝土箱梁標準段進行抗震計算分析。

1 工程概況

本文選取城市高架橋常用的現澆預應力混凝土箱梁標準段進行抗震計算分析。橋梁跨徑布置為（3×30+3×30+4×35+3×30+3×30）m，橋寬25m，墩高8m。上部結構采用支架現澆預應力混凝土連續箱梁，梁高為2m。下部結構橋墩采用雙柱式花瓶墩，墩底截面尺寸為1.6×1.6m，截面主筋配筋率為1.36%；墩頂系梁截面尺寸為1.2×1.3m，截面主筋配筋率為2.01%。基礎采用鉆孔灌注樁，其中主墩采用8根1.2m樁徑群樁基礎。支座則采用GPZ（2009）盆式橡膠支座，水平抗力為豎向承載能力的10%。順橋向均設一個固定支座，M03#、M06#和M09#墩為固定墩。

橋梁位于七度區，根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011），城市快速路高架橋為乙類橋梁，抗震設計方法為A類。同時根據地勘報告，本項目Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.10g，場地反應譜特征周期0.40s。根據實測等效剪切波速，場地類別為Ⅳ類，場地調整特征周期為0.75s。

2 反應譜與時程曲線的確定

由于本項目未進行地震安全性評價，故以上述“設計加速度反應譜”為目標，對E1和E2兩種設防標準下分別擬合出3組設計加速度時程曲線進行時程分析法，并取計算結果的最大值。

根據《城市橋梁抗震設計規范》計算得到設計加速度反應譜。本次計算不考慮場地地震動峰值加速度調整系數Fa。

對生成的加速度時程曲線，需判斷是否與設計反應譜相匹配，根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）第5.3.2條的相關規定，任意兩組同方向的時程的相關系數的絕對值應小于0.1。同時，需要將所用的地震波時程曲線轉換為反應譜，與規范設計反應譜比對，以兩者的吻合度來初步判斷擬合地震波的實用性。本橋兩種結果均滿足規范要求，限于篇幅，結果不一一列出。

3 空間有限元模型的建立

根據總體布置特點及結構構件關鍵尺寸和參數，并考慮到邊界聯與主聯存在耦連，將對地震響應產生相互影響，本文應用SAP2000軟件建立了包括主聯、相鄰邊界聯橋的空間動力分析有限元模型，進行地震反應分析。其中主梁、橋墩等均用梁單元模擬，支座利用彈簧單元模擬。對于樁基礎，通過集中土彈簧模擬，即根據工程地質報告，采用“m”法，計算各樁基礎的等代土彈簧參數。

4 E1作用下箱梁計算結果分析

根據規范驗算條文，支座水平力、墩底彎矩的計算結果是橋梁下部抗震設計的主要依據，針對本項目的橋墩方案，還需要關注橋墩系梁的抗震設計。因此，本文提取以上三處反應譜分析、線性時程分析及非線性時程分析計算結果進行比較。為方便比較，假定下部結構均處于彈性狀態，由于固定墩處受力最大，限于篇幅，僅列出E1作用下固定墩的計算結果。

4.1 三種分析方法計算結果比較

從表1、2中可以看出，地震波沿縱橋向輸入時，反應譜計算結果和線性時程計算結果較為接近，最大誤差在20%以內，滿足規范要求；非線性時程計算結果遠小于另外兩種方法，是因為在非線性時程分析時考慮了支座的影響，是由于支座的摩擦力在地震發生時起到耗能作用。

從表3、4、5中可以看出，地震波沿橫橋向輸入時，三種方法的計算結果較為接近，且計算誤差也較小，沒有出現非線性時程分析的結果比其他兩種計算結果差別很大，主要原因是橫向墩柱為雙柱墩，剛度較大，橫向位移較小，支座摩擦耗能作用有限。

4.2 非線性時程分析的主墩支座最大水平力

從表6中可以看出，支座最大水平力為橫向控制，主要原因是橫向墩柱為雙柱墩，剛度較大，橫向位移較小，支座摩擦耗能作用有限。水平力最大的為M06#墩處，原因在于橫向水平力幾乎全部由1個固定支座來承擔，這對抗震來講是非常不利的，且水平力遠遠大于設計值，可通過提高支座水平抗力（提高至豎向承載能力的20%）解決。

4.3 非線性時程分析的墩底最大彎矩

從表7中可以看出，最大彎矩出現在縱橋向的固定支座處的墩底，橫橋向的墩底彎矩比較均勻，這是因為橋墩采用雙柱墩，橫向間距小，由于有系梁的存在，相比縱橋向剛度大，使得墩柱能較均勻地受力。

從表6、7中可以看出，固定墩在地震沿縱橋向輸入時，會作為承擔地震力的主要構件，我們在設計的時候可以適當地加大固定墩的墩柱尺寸及對應的支座豎向承載能力要求。

4.4 非線性時程分析的橋墩系梁最大彎矩

從表8中可以看出，各墩之間的系梁最大彎矩差別很小，原因在于橋墩采用雙柱墩，橫向間距小，由于有系梁的存在，相比縱橋向剛度大，使得各墩由于豎向力及水平力差異對系梁影響較小。

5 E1作用下抗震驗算

根據工程概況中提供的橋墩墩柱配筋及橋墩系梁配筋，驗算了在E1作用下的橋墩墩柱及橋墩系梁。

從表9、10、11中可以看出，地震沿縱橫向輸入時，橋墩抗震驗算滿足設計要求，但在橫橋向輸入地震后，橋墩系梁會屈服。

根據規范要求，E1作用下的性能目標為“結構總體反應在彈性范圍，基本無損傷，震后可立即使用”。因此對于此類箱梁，橋墩系梁需大幅度增加尺寸。

通過對比可知，地震動沿橫橋向輸入時，橋墩系梁為抗震不利段，抗震計算時需重點考慮。

6 結論及建議

E1地震作用下，沿縱橋向和橫橋向分別輸入地震動，按反應譜分析、線性時程分析和非線性時程分析三種方法分別計算支座最大水平力、墩底彎矩及橋墩系梁，得出以下結論：

（1）地震波沿縱橋向輸入時，反應譜計算結果和線性時程計算結果較為接近，最大誤差在20%以內；非線性計算結果遠小于另外兩種方法。

（2）地震波沿橫橋向輸入時，三種方法的計算結果較為接近。

（3）固定墩作為承擔地震力的主要構件，在設計的時候可以適當地加大固定墩的墩柱尺寸及對應的支座豎向承載能力要求。

（4）地震動沿橫橋向輸入時，橋墩系梁為抗震不利段，抗震計算時需重點考慮。

參考文獻：

[1]JTG/T B02-01-2008.公路橋梁抗震設計細則[S].

[2]CJJ 166-2011.城市橋梁抗震設計規范[S].

[3]GB 18306-2015.中國地震動參數區劃圖[S].

[4]葉愛君，管仲國，范立礎.橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]臧華.城市高架橋的抗震時程分析[J].科技創新與應用，2015（08）：13-14.