不等跨預應力連續箱梁人行天橋抗震性能分析

李云 LI Yun

（云南天坤人力資源管理有限公司，昆明 650500）

0 引言

在城市的發展過程中，為了緩解車輛擁堵以及行人過街安全性的問題，在必要的位置設置天橋是有必要的。人行天橋是一種典型的空間結構，其由跨越結構和梯道結構組成，其布置形式有多種，包括正對稱、反對稱結構等，其所承受的荷載較小，一般可變荷載就是行人荷載，因此大多數設計者會忽略對其的抗震設計而參考類似工作進行設計[1]，但其結構一般是由多種結構組合而成的，其中還包括異形結構，其在受力上會存在較大的差異，因此在對人行天橋進行地震相應分析時，與常規橋梁會存在較大的差異，其不僅要對主體結構的橋墩進行地震響應分析，同時也需對梯道等附屬結構的橋墩進行分析[2]。

本文以某不等跨的現澆預應力混凝土連續箱梁人行天橋為例，其計算跨徑為13.05m+26.45m。采用某有限元軟件建立整體模型，采用MM多振型反應譜法分析，并考慮樁土的共同作用，用彈簧模擬側土剛度，對其主體結構的橋梁和連廊的橋墩在順橋向和橫橋向的內力進行驗算，并得出相關結論，以期對類似工程提供參考[3]。

1 項目概況

該人行天橋，位于某街交叉口以東，上跨一條路寬25m的市政路，呈南北走向，連接A2、A3地塊，橋長為56m，采用兩跨13.05m+26.45m上跨龍潤西路，橋梁凈寬為8m，P03橋墩處包含兩側各0.55m裝飾柱（含縫）后總寬為10.1m；上部主梁采用現澆預應力鋼筋混凝土箱梁，梁高2.0m，單箱三室，主梁寬9m；梯道橋為澆鋼筋混凝土板，板厚0.5m，標準段板寬全段10.2m，梯道梁采用現澆鋼筋混凝土板；下部結構采用柱式墩和鉆孔灌注樁基礎。其立面圖如圖1所示。

圖1 橋型布置圖

2 有限元建模

2.1 有限元模型

依據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）（以下簡稱《抗震規范》），本項目采用E1和E2兩種地震動水平進行抗震設防。根據《抗震細則》，本項目橋梁抗震設防分類均為丁類，抗震設計方法為B類。橋梁設防標準滿足以下要求：E1地震作用下結構總體反應在彈性范圍內，基本無損傷。E2地震作用下不致倒塌。

本項目樁基內力按m法計算。正常使用狀態下，墩柱、基樁按集成剛度法，計算溫度、風載等水平荷載的分配。計中充分考慮了各種最不利組合下的荷載效應，使用有限元軟件對內力計算分析，墩柱、樁身等按普通鋼筋混凝土結構進行設計[4]。

設計中充分考慮了各種最不利組合下的荷載效應，使用有限元軟件對內力計算分析，墩柱、樁身等按普通鋼筋混凝土結構進行設計，并在抗震驗算使用桿系單元和板單元建立模型，依據規范進行驗算。其有限元模型如圖2。

圖2 全橋模型

2.2 地震作用參數

2.2.1 抗震參數和分析方法

根據《清華大學附屬中學鄭州學校過街通道工程巖土工程勘察報告》（以下簡稱《勘察報告》），場地所在地區的設計基本地震加速度0.15g，對應地震基本烈度為7度，地震動加速度反應特征周期為0.45s，工程場地類別為Ⅱ類。

同時根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）表3.3.3確定該橋按照B類抗震設計方法。并根據3.3.2條第二款與6.1.3條：應進行E1地震作用下的抗震分析和驗算，計算方法采用MM多振型反應譜法分析。

2.2.2 樁-土效應模擬

根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）第6.2.7條，橋梁抗震分析模型應考慮樁土的共同作用，樁土的共同作用可用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度可采用表征土介質彈性值得m參數來計算。根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG 3363-2019）附錄P.0.2規定，非巖石地基水平抗力剛度采用k=mzbh計算，計算得土層剛度k隨深度變化為7344kN/m～642600kN/m。

2.2.3 反應譜函數

由《勘察報告》與《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011），在有限元上生成E1地震作用下的反應譜如圖3。

圖3 反應譜函數圖

3 抗震驗算

采用有限元軟件進行計算分析，結構自振特性計算采用Ritz法，橫、縱各計算30階。振型組合類型采用CQC法。抗震計算采用整體建模，考慮土-下部結構-上部結構的共同協同工作抵抗順、橫橋向地震作用，樁基按m法考慮樁土共同作用，用彈簧模擬側土剛度[5]。

3.1 主體結構橋墩驗算

對全橋的受力進行分析，由于篇幅有限，僅提取橋墩在順橋向最大彎矩和軸力圖如圖4-圖5所示，并將最不利橋墩的計算結果提取出來。

圖4 順橋向最不利彎矩圖（kN·m）

由圖4-圖5圖形計算結果可知，其最不利橋墩為P03墩。在墩順橋向最大彎矩：2839kN·m，最大軸力3858.3kN；在墩橫橋向最大彎矩：2685.1kN·m，最大軸力3781.2kN。

圖5 順橋向最不利軸力圖（kN）

由《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）7.2.1條：采用B類抗震設計方法設計的橋梁，橫橋向和順橋向E1地震作用按本規范5.2.2條組合后，應按現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）相關規定對其構件強度進行驗算。

故，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），考慮為大偏心受壓構件，其矩形截面墩柱偏心受壓承載力驗算結果詳見表1。

表1 墩柱彎矩與軸力驗算結果

從表1可以看出，在地震作用下，其較為不利的是順橋向的抗震驗算，其軸力的安全系數為2.05，仍有較大的富余，符合規范的要求；橫橋向的抗震驗算中，最不利的也是其軸力組合，安全系數也有2.61，滿足規范要求。因此，該橋主體結構橋墩在該地區的抗震驗算滿足規范要求。

3.2 連廊橋墩驗算

同時也對連廊在地震作用下的內力進行分析，由于篇幅有限，僅提取連廊橋墩在順橋向最大彎矩和軸力圖如圖6-圖7所示，并將最不利橋墩的計算結果提取出來。

圖6 順橋向最不利彎矩圖（kN·m）

由圖形6-圖7計算結果可知，其最不利橋墩為P04墩。在墩順橋向最大彎矩：457.1kN·m，最大軸力411.7kN；在墩橫橋向最大彎矩：237.7kN·m，最大軸力579.7kN。

圖7 順橋向最不利軸力圖（kN）

同理，在考慮為大偏心受壓情況下，其矩形截面墩柱偏心受壓承載力驗算結果詳見表2。

表2 墩柱彎矩與軸力驗算結果

從表2可以看出，在地震作用下，其較為不利的也是順橋向的抗震驗算，其彎矩的安全系數為1.56，軸力的安全系數為1.2，符合規范要求，數值較主體結構小的原因是因為為連廊位置處是屬于附屬結構設施，在保證安全的情況下，其配筋和截面仍是以節約造價為主。其橫橋向的彎矩安全系數為4.68，軸力安全系數為2.74，對比規范仍有較大的富余，滿足規范要求。因此，該橋連廊處的橋墩在該地區的抗震驗算也滿足規范要求。

4 結論

本文以某不等跨的現澆預應力混凝土連續箱梁人行天橋抗震驗算為例，其計算跨徑為13.05m+26.45m。采用某有限元軟件建立分析模型，在結合當地抗震烈度等級的情況下，采用MM多振型反應譜法分析，并考慮樁土的共同作用，用彈簧模擬側土剛度，對其主體結構的橋梁和連廊的橋墩在順橋向和橫橋向的內力進行驗算。驗算結果表明，該橋主體結構的橋墩和連廊的橋墩抗震均滿足規范要求，但因連廊作為附屬設施，其下部結構的設計考慮較為不保守，在今后相關設計時，應考慮到這一點。