高烈度區(qū)常規(guī)梁橋抗震分析

張科峰

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我國(guó)位于世界兩大地震帶之間（環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶），是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家之一。2008年的汶川大地震造成數(shù)十萬(wàn)人的傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失8萬(wàn)多億元，為我國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最廣、傷亡人數(shù)最多的地震之一，至今依然深深地刺痛著每一個(gè)國(guó)人的心靈。隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，越來(lái)越多的高等級(jí)公路不可避免地要經(jīng)過(guò)一些高烈度地區(qū)，作為抗震救災(zāi)、震后重建的生命線工程中的樞紐——橋梁，其抗震性能就顯得尤為突出。

簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋以其施工方便、造價(jià)低廉等優(yōu)勢(shì)，在山西高速中占有重要的地位，此類橋梁中雙柱式墩又是最常見(jiàn)的形式。然而目前，對(duì)于此類量大面廣橋梁的抗震研究卻并不多見(jiàn)，但地震對(duì)于此類橋梁的破壞卻是巨大的，強(qiáng)震下有些甚至造成毀滅性的破壞，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成無(wú)法挽回的巨大損失。本文以省內(nèi)某高速上的一座大橋?yàn)槔捎肕idas有限元分析軟件建立空間模型，并結(jié)合《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTGT B02-01—2008）（以下簡(jiǎn)稱 08細(xì)則），對(duì)該橋進(jìn)行抗震分析，其計(jì)算方法與結(jié)果可供同類橋梁抗震設(shè)計(jì)參考與借鑒。

1 項(xiàng)目概況

該橋位于某國(guó)高網(wǎng)山西境內(nèi)高速上的一座大橋，上部結(jié)構(gòu)采用部頒10×30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用1.6～1.8 m和1.6～1.8～2.0 m柱式墩，最大墩高30 m，主筋分別為36φ28和40φ28，箍筋采用φ12螺旋筋，在墩頂、墩底4 m范圍間距10 cm，其余區(qū)段間距15 cm。橋臺(tái)及分聯(lián)墩處為四氟板滑動(dòng)支座，其余各墩均采用板式橡膠支座。橋臺(tái)采用肋板臺(tái)，工字型承臺(tái)下接4根直徑1.5 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，橋面凈寬2×11.75 m。

2 有限元模型

為充分考慮鄰跨橋梁的約束影響，采用Midas建立全橋三維模型。上部結(jié)構(gòu)采用能夠反映上部質(zhì)量分布和剛度特性的簡(jiǎn)化空間梁?jiǎn)卧M[1]，聯(lián)間伸縮縫采用一般連接模擬，板式橡膠支座采用彈性連接，其剪切剛度按式（1）計(jì)算：

樁基考慮樁土效應(yīng)，以等代土彈簧模擬，其剛度k=abpmZ[2],式中a為土層厚度，bp為樁基計(jì)算寬度[3]，m取2.5倍m靜，Z為土層深度，全橋三維模型如圖1所示。

圖1 全橋有限元模型

3 動(dòng)力特性計(jì)算

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，該橋地震動(dòng)峰值加速度0.2g，抗震設(shè)防烈度為8度，特征周期0.35 s，地質(zhì)詳勘報(bào)告中橋位處場(chǎng)地類別為Ⅲ類。根據(jù)08細(xì)則本橋?qū)儆贐類規(guī)則橋梁，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。結(jié)構(gòu)基本周期為2.319 s，基頻為0.431 Hz，橋梁前10階模態(tài)結(jié)果如表1所示。模型考慮120階振型，參與質(zhì)量分別為順向：96.05%，橫向：95.78%，滿足規(guī)范要求90%以上有效質(zhì)量要求[4]。典型振型圖如圖2所示，一階振型為順橋向平動(dòng)，說(shuō)明本橋縱向抗推剛度較弱。

表1 前10階頻率及周期

圖2 一階振型（順橋向平動(dòng)）

4 反應(yīng)譜分析

根據(jù)08細(xì)則6.1.4條規(guī)定，本橋E1、E2采用反應(yīng)譜進(jìn)行抗震分析，相關(guān)參數(shù)如表2所示，譜曲線如圖3所示。

表2 設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜參數(shù)表

圖3 水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

4.1 E1作用下驗(yàn)算

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，地震作用下主梁發(fā)生破壞的情況較少，而橋梁下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的損壞最為常見(jiàn)。因本橋樁基、支座按能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算，因此本橋E1地震作用下僅對(duì)橋墩進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。荷載組合：E1地震作用+永久作用，組合后按規(guī)范[5]對(duì)橋墩進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，結(jié)果如表3所示，地震效應(yīng)采用CQC法計(jì)算。

表3 E1橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

4.2 E2作用下驗(yàn)算

根據(jù)08細(xì)則，E2地震作用下，規(guī)則橋梁需進(jìn)行位移驗(yàn)算和能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算，模型中延性構(gòu)件的有效截面抗彎剛度按公式6.1.6進(jìn)行了調(diào)整。鑒于篇幅本文僅對(duì)墩身和樁基進(jìn)行能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算。

4.2.1 位移驗(yàn)算

由于本橋均為雙柱式墩，橫橋向墩頂容許位移應(yīng)用pushover法求解較方便[6]，但本橋橫向橋墩仍處于彈性狀態(tài)，所以均能滿足規(guī)范要求?？v向墩頂位移按規(guī)范7.4.6條計(jì)算，等效屈服曲率和極限破壞曲率由M-Ф曲線確定，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 E2縱向墩頂位移驗(yàn)算結(jié)果 m

4.2.2 能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算

4.2.2.1 橋墩抗剪驗(yàn)算

經(jīng)計(jì)算本橋橫向仍處于彈性階段，故只對(duì)本橋順向塑性鉸進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。對(duì)各墩底塑性鉸是否進(jìn)入塑性判斷如表5。

表5 塑性鉸區(qū)域彈塑性狀態(tài) kN·m

由結(jié)果可知，本橋縱向除1號(hào)墩外，其余各墩塑性鉸均未進(jìn)入塑性。1號(hào)墩塑性鉸抗剪驗(yàn)算按規(guī)范7.3.4、6.8.2 條執(zhí)行號(hào)墩墩底M-Ф曲線如圖4所示，經(jīng)計(jì)算1號(hào)墩墩底塑性鉸區(qū)域Vc0=665 kN，，塑性鉸抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

圖4 1號(hào)墩墩底M-Ф曲線

4.2.2.2 樁基驗(yàn)算

樁基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件，在E2地震作用下應(yīng)保證在彈性范圍，即樁基最大彎矩應(yīng)小于等于等效屈服彎矩Meq。由計(jì)算結(jié)果可知，全橋各墩縱、橫向最大彎矩均小于等效屈服彎矩，所以樁基滿足規(guī)范要求。

表6 E2地震作用下樁基驗(yàn)算

5 結(jié)語(yǔ)

08細(xì)則采用兩級(jí)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)思路，相比老規(guī)范單一水準(zhǔn)強(qiáng)度抗震設(shè)計(jì)增加了延性設(shè)計(jì)，并引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則，可概括為：小震不壞、中震可修、大震不倒。本文依據(jù)該細(xì)則對(duì)山嶺丘陵地區(qū)常見(jiàn)的雙柱式連續(xù)梁橋進(jìn)行抗震分析，計(jì)算結(jié)果表明該橋在E1地震作用下滿足彈性要求，在E2地震作用下橋墩塑性鉸區(qū)域抗剪強(qiáng)度及墩頂位移均滿足規(guī)范要求，驗(yàn)證了該橋在地震作用下的安全性，其計(jì)算方法及結(jié)果也可為同類橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。