某高架橋梁下部結構抗震分析與計算

付勁松

(合肥市市政設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

我國處于世界兩大地震帶之間，幾乎所有的省市、自治區都發生過6級以上的破壞性地震。突發性、不可預報性的地震帶來生命財產等多方面破壞，災后救援也給城市交通基建帶來巨大考驗，因此抗震設防在設計工作中的重要性也愈發凸顯。新建橋梁，尤其是城市高架橋梁設計中應建立可靠的抗震體系，以滿足橋梁抗震要求。

1 工程實例

項目背景為一座城市高架跨線橋，選取其中一聯三跨預應力混凝土連續箱梁橋。橋梁中心線為直線，其跨徑布置為3×24 m，橋寬25 m。主梁橫斷面形式采用等寬等截面單箱多室魚腹式箱梁，梁高2.2 m。橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式橋墩，墩柱為矩形截面，頂部縱向擴頭，基礎采用4根直徑1.8 m鉆孔灌注樁。上部結構中的箱梁采用C50混凝土，橋墩墩柱采用C40混凝土，墩柱承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。在建立有限元模型的過程中，主梁、橋墩、承臺及系梁樁基均采用梁單元模擬，主梁與橋墩支座采用彈性連接以支座實際剛度模擬，樁基礎約束采用等代土彈簧剛度模擬，二期恒載轉化為質量加載，結構離散如圖1所示。

圖1 橋梁有限元模型

2 抗震分析

2.1 地震資料

根據項目地理位置及項目地質勘測報告，本項目地段地震基本烈度為7度(0.10g)，設計特征周期為0.35 s，工程場地類別為Ⅱ類，地基抗震容許承載力調整系數Ke=1.5。橋梁抗震設防分類為丙類，橋梁抗震設計方法采用A類方法，應進行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗算，應滿足在E1地震作用下震后立刻使用，在E2地震作用下不產生嚴重的結構損傷。

2.2 抗震分析

E1=1.0永久荷載+1.0×E1(X)+ 1.0×E1(Y)

E2=1.0永久荷載+1.0×E2(X)+ 1.0×E2(Y)

橋梁采用雙柱墩，采用類型Ⅰ的抗震體系，即延性設計：地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩，塑性鉸區域如圖2所示。

圖2 橋梁塑性鉸區域

采用MM多振型反應譜法進行抗震分析，振型組合采用SRSS法，本項目取前30階振型進行計算，計算的振型階數在X、Y、Z方向上的振型參與質量均大于90%，以全橋的成橋狀態為初始條件對模型進行結構動力特性分析，以固定支座所在的ZX8墩為例，前5階振型的頻率及振型特征見表1，如圖3所示。

表1 主橋動力特性表

圖3 前五階振型節選(振型一、振型四)

橋梁取最高墩進行驗算，計算軟件采用橋梁博士V4.2，橋墩箍筋體積含箍率計算得為0.66%；橋墩等效塑性鉸長度Lp計算得0.886 4 m，如圖4所示。

圖4 屈服面示意圖及具體參數

2.3 E1地震作用下抗震驗算

E1地震作用下，采用A類抗震設計方法設計的本橋梁強度應按相關規范規定進行驗算。具體包括以下8個工況(空間桿系)：①maxMy；②minMy；③maxMz；④minMz；⑤maxN；⑥minN；⑦maxN-Mz；⑧minN-Mz。驗算結果如圖5所示，圖中符號以受壓為正，受拉為負。

圖5 各個工況下橋墩強度驗算(節選)

得出結論：在E1地震作用下，橋墩強度滿足相關規范規定要求。

2.4 E2地震作用下抗震驗算

E2地震作用下，首先判定結構是否進入塑性階段，表2為各個最不利軸力組合工況下塑性鉸位置內力組合，并結合彎矩曲率分析，以等效屈服彎矩作為臨界點，從而判斷結構是否進入塑性階段。

由表2可知，橋墩作為延性構件需要進行有效截面剛度折減，按表2中最不利數值取用，系數為0.23。

對于雙柱墩，進行PUSHOVER分析，得出橋墩容許位移，如圖6所示。當墩柱的任一塑性鉸達到其最大容許轉角或塑性鉸區控制截面達到最大容許曲率時，墩頂縱梁的橫橋向或順橋向水平位移即為容許位移。

表2 各個工況下塑性鉸位置內力組合

圖6 E2地震作用下橋墩墩頂位移驗算

根據圖6內容可得出結論，在E2地震作用下，橋梁墩頂橫橋向及順橋向水平位移均小于容許位移。

2.5 能力保護構件驗算

能力保護構件的驗算主要包括墩柱塑性鉸區域沿順橋向和橫橋向的斜截面抗剪強度驗算、樁基礎截面抗彎強度驗算、橋墩球形橡膠支座厚度及抗滑穩定性驗算。

經計算，橋梁最高墩剪力設計值為1 750 kN，對應支座采用JQZ(Ⅲ)-15-GD支座水平承載力為15 000×0.225=3 375 kN>1 750 kN。支座滿足要求。

圖7 墩柱塑性鉸縱橋向、橫橋向斜截面抗剪強度

3 抗震構造設計

本聯橋梁最不利墩高為8 m，塑性鉸區域箍筋直徑為12 mm及16 mm，全度箍筋間距為100 mm。加密長度大于墩柱截面邊長；加密箍筋間距小于等于100 mm；箍筋直徑大于等于10 mm。通過計算塑性鉸區域最小體積配箍率為0.52%>0.4%(最小配箍率)，橋墩縱向配筋率0.6%<1.27%(根據項目圖紙)<4%，滿足抗震構造要求。

本橋梁設置了限位裝置以控制梁端位移；橋梁采用了擋塊以限制縱橫向落梁；梁與橋臺之間加裝了橡膠墊。

4 結 論

(1)E1地震作用驗算中，橋墩強度驗算通過，均在彈性范圍之內，符合《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)的相關規定。

(2)E2地震作用驗算中，橋墩進入彈塑性狀態，橋墩墩頂位移驗算通過，符合《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)的相關規定。

(3)能力保護構件驗算中，能力保護構件墩柱塑性鉸區域斜截面抗剪強度驗算、蓋梁強度驗算、樁基礎強度驗算、支座抗震驗算均通過，符合《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)的相關規定。

(4)抗震構造設計中，橋墩箍筋構造、最小體積配箍率和縱向配筋率均符合《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)的相關規定；且橋墩螺旋箍筋必須采用對接焊，并伸入核心混凝土之內至少16.8 cm。

(5)抗震措施中，梁端安全距離及各片梁間橫向聯系符合《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ 166—2011)的相關規定；并建議設置限位裝置來控制梁端位移。