橋梁抗震性能計算分析

花尉攀 李凱峰

(安陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南 安陽 455000)

我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受板塊與板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。根據(jù)近幾十年的地震災(zāi)害數(shù)據(jù)可知，地震對橋梁工程造成了嚴(yán)重破壞，因此橋梁抗震性能分析日益重要[1]。我國抗震設(shè)計分析常用兩種方法，一是基于強(qiáng)度抗震設(shè)計分析法，二是基于位移的抗震設(shè)計分析法，普遍采用兩水準(zhǔn)、兩階段的抗震設(shè)計思想；而現(xiàn)在能力設(shè)計分析方法被專家學(xué)者所青睞，三水準(zhǔn)抗震設(shè)防分析設(shè)計原則被廣大學(xué)者所接受[2,3]。我國的橋梁抗震設(shè)計規(guī)范編制基本完備，但地震荷載反應(yīng)比較復(fù)雜，抗震設(shè)計計算分析也隨之比較復(fù)雜[4]。因此，橋梁抗震反應(yīng)分析就顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

本文研究分析的對象為某市中環(huán)快速化改造工程橋，橋梁寬度為8.5 m，跨徑為3×30 m一聯(lián)的典型橋梁，場地為平原區(qū)，區(qū)域內(nèi)無全新活動斷裂和地震斷裂存在及其他不良地質(zhì)作用，穩(wěn)定性較好。該橋的地震設(shè)防烈度屬7度，沒有液化土層。場地土類型屬中軟土，覆蓋層厚度大于50 m，場地類別屬Ⅲ類，設(shè)計加速度反應(yīng)譜特征周期值為0.45 s。

1.2 地震動輸入

根據(jù)地質(zhì)勘查報告該橋所處地區(qū)反應(yīng)譜參數(shù)見表1。根據(jù)橋梁抗震細(xì)則規(guī)范中反應(yīng)譜計算方法的規(guī)定[5]，計算反應(yīng)譜公式見式(1)，式(2)：

(1)

Smax=2.25CiCsCdA

(2)

其中，Tg為特征周期,s；T為結(jié)構(gòu)自振周期,s；Smax為水平地震加速度反應(yīng)譜最大值。

表1 反應(yīng)譜參數(shù)

2 有限元計算模型

計算模型采用大型非線性有限元軟件模擬實橋，對該橋進(jìn)行內(nèi)力、位移計算分析及地震響應(yīng)下的動力分析。計算結(jié)果組合原則為：1.0×自重效應(yīng)+地震效應(yīng)，其中“自重”為計算模型質(zhì)量參數(shù)，包含二期恒載，“地震效應(yīng)”指抗震分析的效應(yīng)值。在地震反應(yīng)分析中，均考慮豎向地震分量和水平向地震分量的組合，組合的原則為：地震輸入量=豎向分力+水平分力，其中豎向分力取值為1/3的水平分力，本文所有荷載組合中的“橫豎E1地震”“縱豎E1地震”均指該原則組合的地震動輸入。計算結(jié)果中軸力為正值，在考慮地震軸力為拉力的不利效應(yīng)時，采取“自重”作用下的軸力與反應(yīng)譜計算的軸力的差值作為軸力結(jié)果。剪力和彎矩則為“自重”和反應(yīng)譜計算結(jié)果的絕對值的疊加。三聯(lián)橋梁支座布置形式相同，本文僅給出第二聯(lián)的地震響應(yīng)，第二聯(lián)的編號順序為MB3～MB6；支座橫向的編號原則從左向右分別為MB3-1,MB3-2；樁基礎(chǔ)的編號順序為MB3，MB4，MB5，MB6-1，MB6-2。

3 橋梁的地震反應(yīng)分析

表2 墩內(nèi)力表

由表2數(shù)據(jù)分析可知，除MB4號固定支座約束墩在縱向E1地震作用下受力較大以外，其余各墩在縱向E1地震作用下受力較為均衡；在橫向E1地震作用下中間各墩受力較均衡，MB6位于橋梁變寬處，與寬幅橋其他墩共同工作，受力較大。

表3 E2地震作用下樁內(nèi)力表

由表3數(shù)據(jù)分析可知，除MB4號固定支座約束墩下的樁基在縱向E2地震作用下受力較大以外，其余各樁基在縱向E2地震作用下受力都較為均衡；在橫向E2地震作用下各樁基(除MB6-1外)受力變化幅值較小。但是在橫向E2作用下各樁基都會出現(xiàn)拉力。當(dāng)樁基出現(xiàn)上拔力時，樁基按最小配筋率設(shè)計時，不能滿足抗震要求，部分樁基需要增加到1.6%的配筋率才能滿足地震承載力要求。固定支座下MB4樁基在縱向地震作用下不能滿足地震承載力要求。

表4 E1地震作用下支座內(nèi)力和位移

由表4數(shù)據(jù)分析校核結(jié)果可知，在縱橫向滑動支座都可以滿足在E1地震作用下支座的位移能力的要求，所有縱橫向約束支座都可以滿足支座抗剪的要求；支座豎向承載力滿足要求，橫橋向允許位移±40、縱橋向允許位移±150。

表5 E2地震作用下支座內(nèi)力和位移

由表5數(shù)據(jù)分析校核結(jié)果可知，縱橫向滑動支座都可以滿足在E2地震作用下支座的位移能力的要求；縱向約束支座都能滿足抗剪要求，橫向部分不能滿足抗剪要求；支座豎向承載力滿足要求，橫橋向允許位移±40、縱橋向允許位移±150。

表6 墩頂位移能力校核表 m

由表6數(shù)據(jù)可知，在E2地震作用下所有墩的位移延性能力都滿足抗震要求。

4 結(jié)語

本文基于三水準(zhǔn)抗震設(shè)防分析設(shè)計原則，對某市中環(huán)快速化改造工程橋進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了以下結(jié)論：

1)縱向地震荷載作用下，該聯(lián)橋梁下部結(jié)構(gòu)受力均衡(縱向固定支座下墩、樁除外)；橫向地震荷載作用下，變寬軸線上的墩及樁基礎(chǔ)受到寬幅橋上的其他墩柱耦合受力影響作用下，其受力狀況比同聯(lián)其他墩柱大。

2)根據(jù)JTG/TB02—01—2008抗震細(xì)則要求的最小縱向配筋率6‰配筋，該聯(lián)橋所有橋墩均可滿足一階段抗震設(shè)計的截面抗彎承載力的要求；采用細(xì)則規(guī)定的最小配箍率4‰時，所有橋墩的位移延性能力都滿足抗震要求。

3)在E2地震荷載作用下，所選用的支座在橫橋向和縱橋向允許滑動位移均滿足規(guī)范要求；聯(lián)端處支座抗剪承載力選用豎向承載力的30%、其余支座抗剪承載力為豎向承載力20%，可滿足規(guī)范規(guī)定的支座抗剪承載力要求。

4)在E2地震荷載作用下，部分樁內(nèi)軸向壓力較大，也有可能出現(xiàn)較大的拉力，設(shè)計時根據(jù)試樁情況驗算樁的豎向承載力。縱向約束墩下基礎(chǔ)采用兩樁遠(yuǎn)不能滿足承載力要求，需增加樁基數(shù)量或加大樁基直徑提高樁基礎(chǔ)的縱向承載力；橫向地震作用下，變寬軸線處樁需提高配筋率至1.6%或增加樁基數(shù)量提高樁基礎(chǔ)的橫向承載力方可滿足抗震要求，其余樁需提高配筋率至1.0%以滿足抗震要求。