淺析峰林特大橋抗震性能

王玲麗,趙 凱

（貴州省交通規劃勘察設計研究院有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

我國位于兩個地震帶之間，多次發生地震，近年有記錄的6 級以上地震達多20 余起，造成了巨大的生命財產損失。救援生命通道暢通對于抗震救災以及災后重建至關重要，由于特大橋的工程造價均較高，且一般為相應道路的重要控制性工程，因此有必要進行相應級別的抗震設防[1-2]。另一方面，目前的《公路工程抗震設計規范》《公路橋梁抗震設計規范》只適用于跨度不超過150 m 的橋梁，需對特大橋梁進行專門的抗震設計研究。

1 工程概況

興義環城高速公路為貴州省規劃的各地州市環城高速網之一，峰林特大橋是興義環城高速公路上的重要控制性工程，大橋跨越馬嶺河峽谷，地勢總體北高南低，峽谷兩岸底部均為陡崖，不良地質多而復雜，建設條件差。全橋孔跨布置為：3×40 m（先簡支后結構連續預應力混凝土T 梁橋）+550 m（單跨鋼-混疊合梁懸索橋）+12/11×40 m（先簡支后結構連續預應力混凝土T 梁橋），左幅橋梁全長1 165.543 m，右幅橋梁全長1 129.299 m，主橋立面圖及立梁橫斷面分別見圖1、圖2。

圖 1 主橋立面圖

圖 2 主梁橫斷面

2 工程場地地質條件、抗震性能目標

場區內不良地質較多，有兩處不穩定鈣華體、兩處危巖體、一處堆積體、卸荷裂隙發育。鈣華體1、2 分布面積較大，易受擾動垮塌失穩，但離橋位較遠，對橋梁建設無影響；危巖體完整性差，穩定性差，離橋位較近，對橋梁建設有影響；堆積體易發生失穩，卸荷裂隙發育且離橋位較近，對橋梁建設有影響。上述不良地質對橋梁建設有影響的，須進行處治。不良地質易造成地震地質災害，應采取有效工程防護措施，并做好震后應急保通預案。

根據規范，橋梁抗震設計須確定抗震性能目標，該橋為高速公路上的特大橋，抗震設防類別為A 類。采用兩級水準抗震設防，第一級水準為設計地震（E1），對應重現期約475 年（50 年10%），第二級水準為罕遇地震（E2），對應重現期約2000 年（100 年5%）。E1 作用下的抗震性能目標為加勁梁、主纜、吊索、基礎、主塔、橋墩均為彈性無損傷，車輛正常通行，支座、減震耗能裝置、錨碇均能正常工作；E2 作用下的抗震性能目標為加勁梁、主纜、吊索、基礎、主塔、橋墩保持彈性，減震耗能裝置、錨碇能正常工作。

3 設計地震動參數

3.1 設計反應譜

工程場地設計地震動加速度反應譜取為：

式中，Amax——設計地震動峰值加速度；β(T)——設計地震動加速度放大系數反應譜。根據《黔西南州興義環城高速公路建設工程場地地質安全性評價報告》的結論，峰林特大橋在不同超越概率下阻尼比為2%情況下的地震動參數、設計反應譜曲線分別如表1 所示。

表1 峰林特大橋場地地表設計地震動參數值（阻尼比0.02）

3.2 設計時程

采用阻尼比為2%時各概率水平下的人工合成地震動時程數據，分別為：

（1）對應于50 年超越概率10%（阻尼比0.02）的地表水平向設計震動時程（人工合成）。

（2）對應于100 年超越概率5%（阻尼比0.02）的地表水平向設計震動時程（人工合成）。

各超越概率下均取3 組人工合成地震波，根據計算結果，取其中結構反應最大的那組為設計地震波。

4 抗震性能計算分析

4.1 計算模型

利用有限元程序建立全橋模型，計算模型以順橋向為X 軸，橫橋向為Y 軸，豎向為Z 軸。其中主塔、主梁均采用空間梁單元，主纜及吊桿采用空間索單元。首先進行動力特性分析，動力特性分析時，基礎按固結、塔梁連接按主從約束考慮。主橋第一階振型為主梁正對稱側彎，第一階振形周期為6.646 s。因篇幅有限，示出前5 階振型圖，如圖3 所示。

圖3 前5 階振型圖

接下來進行全橋動力性能分析，在主橋有限元模型基礎上，增加引橋以及橋塔樁基部分，橋塔樁基按m 法建立樁土作用單元，地基土極限承載力frk=25 MPa，地基抗力系數C0取15 000 MPa/m。地震輸入采用兩種方式：1）縱向+豎向；2）橫向+豎向，豎向加速度的反應譜及時程曲線形狀與水平向加速度的一致，加速度峰值為水平向加速度峰值的0.65。

對反應譜分析和非線性時程分析兩種方法得到的結構地震動響應進行比較，兩種方法的計算結果是較為接近的。最大彎矩為4.31×105kN·m，發生在縱向+豎向作用反應譜分析方法下，發生在4 號北承臺底；最大塔頂位移為11.2 cm，發生在橫向+豎向作用非線性時程分析方法下，發生在4 號南塔塔頂；最大梁端位移為12.4 cm，發生在縱向+豎向作用非線性時程分析方法下；最大跨中位移為54.8 cm，發生在橫向+豎向作用反應譜分析方法下，均滿足規范要求。

4.2 結構抗震性能驗算

4.2.1 抗彎驗算

根據規范，在地震水平E1 作用下，樁基截面的地震反應彎矩應小于截面初始彎矩（考慮最不利軸力組合），此時截面最外層受拉鋼筋沒有屈服，整個截面保持彈性范圍，截面的裂縫寬度在容許值內，結構基本無損傷。

在地震水平E2 作用下，樁基截面的地震反應彎矩應小于截面等效抗彎屈服彎矩（考慮最不利軸力組合），這時結構整體反應還在彈性范圍內，雖然可能有部分鋼筋進入了屈服，裂縫寬度可能會超限，但只要混凝土保護層沒有被破壞，地震后裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足地震水平E2 作用下局部發生可修復的損傷，地震發生后，基本不影響車輛通行的性能要求[3]。

樁基礎驗算截面的抗彎能力計算結果分別如表2、表3 所示，由此可以看出，在E1 和E2 地震作用下，樁的抗彎能力滿足抗震性能要求。

表2 樁基恒載+50 年超越10%地震作用下抗彎驗算

表3 樁基恒載+100 年超越5%地震作用下抗彎驗算

4.2.2 支座驗算

在E2 地震作用下，應進行盆式支座的抗震驗算，并滿足規范要求，主橋支座應滿足最大縱向水平變位為±40 cm、容許轉動角為40°的要求。

對支座進行E2 地震作用下抗震性能驗算，驗算結果如表4 所示。可以看出，在E2 地震作用下，支座滿足抗震性能要求。

表4 主塔支座恒載+100 年超越5%地震作用下抗震驗算

5 結論

該文按照E1 和E2 兩水準抗震設防標準，對峰林特大橋的樁基礎和支座進行了抗震性能驗算。根據對結構在E1 和E2 兩個水準地震非線性時程分析及關鍵截面抗力校核結果可以看出，主橋樁基及主塔支座均滿足抗震性能要求。為了進一步提升結構整體的抗震性能，須在該研究的基礎上，增加主塔截面的抗震性能分析，并在此基礎上開展抗震措施優化研究。此外還須針對結構各處設置的抗震優化措施方案進行參數優化分析，最后確定各構件最優化的抗震措施，以最大程度降低地震對此特大橋造成的傷害。