城市橋梁抗震性能計算分析

摘要 橋梁抗震設(shè)計是橋梁設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。文章以某變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁為工程實例，應(yīng)用Midas Civil建立了該橋的有限元模型，采用多振型反應(yīng)譜法進行E1、E2地震作用分析，得到了橋梁墩柱在地震作用下的受力及變形發(fā)展規(guī)律，得出了相鄰墩柱剛度不宜過大和重視延性設(shè)計的結(jié)論，為今后同類型橋梁的設(shè)計提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞 橋梁抗震；混凝土連續(xù)箱梁；反應(yīng)譜分析；A類抗震方法設(shè)計

中圖分類號 U442 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0170-04

0 引言

隨著城市化進程的加速和交通需求的增長，城市高架橋梁作為城市重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，在城市交通系統(tǒng)中扮演著重要角色。地震作為一種不可預(yù)測的自然災(zāi)害，給城市高架橋梁的安全性和穩(wěn)定性帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。因此，城市高架橋梁的抗震設(shè)計和分析顯得尤為重要。高架橋梁作為城市高架橋梁的主要形式之一，由于受到控制因素的限制，導(dǎo)致橋梁下部結(jié)構(gòu)形式較多，而地震作用帶來的作用更為復(fù)雜，因此，對城市高架橋梁的抗震計算分析進行深入研究具有重要意義?；炷翗蛄阂哑毡椴捎脴O限狀態(tài)理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]。該文將結(jié)合實際工程案例，建立基于有限元方法的Midas Civil模型，分析其在地震作用下的動力響應(yīng)，對高架橋梁的抗震計算分析進行詳細探討，并討論影響其抗震性能的關(guān)鍵因素。

1 工程概況

某城市橋梁主橋跨徑布置為（37+68+68+37）m變截面預(yù)應(yīng)力的混凝土連續(xù)箱梁，橋梁全寬22.4 m，上部結(jié)構(gòu)采用斜腹板加圓倒角單箱三室截面，中支點梁高4 m，跨中及端支點梁高2.2 m，梁底面以二次拋物線形式變化（如圖1所示）。箱梁橫斷面懸臂長3 m，懸臂端部厚0.2 m，懸臂根部厚0.5 m，箱梁底板寬10.64～15.04 m，底板厚0.25～1.1 m，腹板厚0.50～1.3 m，頂板寬18～22.4 m，頂板厚0.28～0.65 m。橫隔梁分別設(shè)在中支點、邊支點，其中端支點橫梁厚2 m、中支點橫梁厚3 m。

圖1 橋型布置圖

橋墩采用雙柱式墩（如圖2所示），24#、28#墩截面尺寸為1.8×1.8 m（順橋向×橫橋向），25#、27#墩截面尺寸為2.0×2.0 m（順橋向×橫橋向），26#墩截面尺寸為2.6×2.6 m（順橋向×橫橋向），承臺厚均為2.5 m。24#墩采用2排共8根Φ1.0 m鉆孔灌注樁；25#墩采用3排共12根Φ1.2 m鉆孔灌注樁；26#墩單個承臺采用3排共9根Φ1.2 m鉆孔灌注樁；27#墩單個承臺采用3排共8根Φ1.2 m鉆孔灌注樁，梅花形布置；28#墩單個承臺采用2排共5根Φ1.0 m鉆孔灌注樁。

2 有限元分析

該案例采用有限元分析軟件Midas Civil 2021建立全橋有限元模型。全橋模型采用梁單元模擬，共計205個節(jié)點184個單元，根據(jù)彈性連接不同方向上的約束差異模擬支座的類型，支座和主梁、墩底和承臺采用剛性連接模擬，樁基的作用采用剛度矩陣（如表1所示）模擬，作用在承臺底。橫梁重量以均布荷載的形式作用在支點位置，相鄰聯(lián)過渡墩的荷載則以集中力的形式補償作用在過渡墩上。

根據(jù)中華人民共和國國家標準《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015）[2]，該項目Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.10 g，相當于抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，場地特征譜反應(yīng)周期0.40 s，按《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166—2011），該橋抗震設(shè)防分類為乙類。

該橋為規(guī)則橋梁，采用多振型反應(yīng)譜法進行計算，對順橋向X和橫橋向Y分別進行E1和E2地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的驗算。通過將地震動的頻譜與結(jié)構(gòu)的動力特性進行相乘，得出結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。首先，確定結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比等動力特性參數(shù)；然后獲取地震動的地震反應(yīng)譜，描述地震動在不同頻率下的幅值；再將地震反應(yīng)譜與結(jié)構(gòu)的動力特性相乘，得到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)譜，即結(jié)構(gòu)在不同頻率下的地震響應(yīng)幅值；最后，根據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求和性能標準，評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的能力。

2.1 E1地震作用

在E1地震作用下，構(gòu)件處于彈性階段，因此該階段主要驗算墩柱的抗彎強度和抗壓強度，結(jié)果如表2所示：

2.2 E2地震作用

在E2地震作用下，首先應(yīng)判斷墩柱是否進入塑性狀態(tài)。在未進入塑性狀態(tài)時，驗算墩柱的抗彎強度和抗壓強度；當墩柱進入塑性狀態(tài)時，對墩柱截面的抗彎能力驗算轉(zhuǎn)變?yōu)閷Χ枕斘灰颇芰Φ尿炈?，結(jié)果如表3所示：

從表3計算可以看出，H26a和H26b墩進入塑性狀態(tài)，其余墩均仍在彈性階段，按彈性理論計算，其余墩的抗彎強度和抗壓強度均滿足規(guī)范要求。

對于進入塑性狀態(tài)的橋墩，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166—2011）A類抗震方法設(shè)計的要求，需要進行墩柱的容許位移驗算（如表4所示）、體積含箍率驗算（如表5所示）和橋墩塑性鉸抗剪驗算（如表6所示）。

以上計算結(jié)果表明，H26a和H26b墩柱的容許位移驗算、體積含箍率驗算和橋墩塑性鉸抗剪驗算均滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ 166—2011）A類抗震方法設(shè)計的要求，對城市橋梁工程實例進行了墩柱的抗震驗算。在驗算的過程中，有以下幾點值得橋梁設(shè)計的重點注意：

（1）相鄰墩柱剛度相差不宜過大，不同種類墩柱較多時應(yīng)特別引起關(guān)注。相鄰墩柱剛度過大會導(dǎo)致地震作用下的地震力分布不均，地震力主要集中在剛度大的墩柱上，使得在該處產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力，為滿足抗震要求導(dǎo)致設(shè)計不經(jīng)濟的同時，也影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和安全性。

（2）在橋梁抗震設(shè)計中，特別是在制動墩的設(shè)計中，需要重視延性設(shè)計。制動墩的延性有助于減緩結(jié)構(gòu)的震動響應(yīng)，減少震后損傷和破壞，應(yīng)采取合適的措施確保制動墩具有足夠的延性，以提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

參考文獻

[1]孫穎，卓衛(wèi)東，房貞政.規(guī)則橋梁抗震性能水準的定義及其量化描述[J].地震工程與工程振動，2011（5）：104-112.

[2]中國地震參數(shù)區(qū)劃圖：GB 18306—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

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