連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋抗震能力分析方法

王逸庶，瞿 翔，劉 敏

(云南省公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，云南昆明 610031)

連續(xù)剛構(gòu)橋是指墩梁固結(jié)的連續(xù)梁橋，多采用箱型梁橋形式，鑒于其墩梁固結(jié)體系，連續(xù)剛構(gòu)橋具備T形鋼構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的優(yōu)點(diǎn)[1]。由于連續(xù)剛構(gòu)橋施工簡便，結(jié)構(gòu)受力明確，已成為大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的首選橋型[2]。連續(xù)剛構(gòu)梁橋墩塔固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式在減少支座費(fèi)用的基礎(chǔ)上，還改善了橋梁結(jié)構(gòu)在地震荷載中的抗震性能。由于橋梁結(jié)構(gòu)屬于靜定或超靜定結(jié)構(gòu)，對地震荷載作用較為敏感，因此選擇適宜的橋梁抗震性能分析方法對連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)尤為重要[3-4]。

為此，文章以數(shù)值模擬為分析手段，結(jié)合某連續(xù)剛構(gòu)箱梁橋進(jìn)行了抗震能力分析，用以指導(dǎo)該橋梁的設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋橋跨布置為(62+105+62)m的箱梁，單箱單室，支點(diǎn)梁高6.5 m，跨中梁高2.8 m。橋?qū)挘?.5(欄桿)+16(行車道)+0.5(欄桿)=17m。設(shè)計(jì)活載為公路-I級縱橋向預(yù)應(yīng)力材料采用270級低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。預(yù)應(yīng)力束均采用Φs15.2(7×5)鋼絞線組成，預(yù)應(yīng)力管道采用預(yù)埋鋼波紋管成型，預(yù)應(yīng)力錨固體系采用OVM15系列。橋梁混凝土采用C50混凝土，具體參數(shù)如表1所示。

表1 連續(xù)剛構(gòu)橋混凝土參數(shù)

2 有限元模型

2.1 模型參數(shù)

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[5]，路線未見新活動性構(gòu)造發(fā)育。本段高速公路地震基本烈度為Ⅶ度。線路50年超越概率10 %的一般場地(中硬)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

根據(jù)規(guī)范表3.1.2判定本橋梁抗震設(shè)防類別為B類，依據(jù)規(guī)范5.2條設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值Smax=2.25CiCsCdA。

其中水平向設(shè)計(jì)基本地震動加速度值A(chǔ)=0.1g；抗震重要性系數(shù)Ci按規(guī)范中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行取用，E1地震作用下Ci=0.5，E2地震作用下Ci=1.7；II類場地系數(shù)Cs=1.0，阻尼調(diào)整系數(shù)Cd=1，特征周期Tg=0.4?？拐鹩?jì)算采用作用組合如下：

(1)永久作用，包括結(jié)構(gòu)重力(恒載)、預(yù)應(yīng)力、土壓力、水壓力。

(2)地震作用，地震動作用和地震土壓力、水壓力。

2.2 模型的建立

連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震計(jì)算采用空間模型，模型依據(jù)規(guī)范建模原則考慮上下部和地基的共同剛度。E2地震作用下順橋向活動支座考慮恒載作用下支座滑動摩阻力，動摩擦系數(shù)u=0.03，考慮樁土共同作用時(shí)表征土介質(zhì)彈性值的“m”法參數(shù)采用動載md靜載mj的關(guān)系為md=(2～3)mj。具體模型見圖1。

第一層素填土厚度約1.5m。γ平均值為18.5kN/m3，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取值C=2kPa，Φ=30°(下同)。

圖1 連續(xù)剛構(gòu)橋62+105+62抗震計(jì)算模型

2.3 計(jì)算工況

本次連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震計(jì)算主要針對2種工況進(jìn)行抗震計(jì)算，具體如下：

工況一：E1地震作用：永久作用+地震作用；

工況二：E2地震作用：永久作用+地震作用+支座滑動摩阻力。

3 抗震分析結(jié)構(gòu)

對連續(xù)剛構(gòu)橋分為進(jìn)行順橋向和橫橋向的E1和E2地震作用的抗震分析，具體結(jié)果如下。

3.1 E1地震作用強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3.1.1 順橋向計(jì)算結(jié)果

抗震分析中E1地震作用下順橋向的彎矩包絡(luò)圖如圖2所示，將相應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果極值列入表2。

圖2 E1地震順橋向彎矩包絡(luò)圖

結(jié)構(gòu)類型單元位置彎矩-y/(kN?m)剛構(gòu)墩103J[108]73211.68剛構(gòu)墩樁基130I[137]6476.58

由圖2可知，E1地震作用下連續(xù)剛構(gòu)橋的順橋向彎矩包絡(luò)圖沿跨中呈對稱分布，且主要集中在墩梁固結(jié)位置，可見結(jié)構(gòu)剛度的提升會加大自身在地震荷載作用下的順橋向彎矩值。將連續(xù)剛構(gòu)橋順橋向強(qiáng)度列入表3。

表3 連續(xù)剛構(gòu)橋順橋向強(qiáng)度

從橋墩、樁基順橋向驗(yàn)算結(jié)果表中可以看出在E1地震作用下：橋墩、樁基強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

抗震分析中E2地震作用下順橋向的彎矩包絡(luò)圖如圖3所示，將相應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果極值列入表4。

圖3 E2地震橫橋向彎矩包絡(luò)圖

結(jié)構(gòu)類型單元位置彎矩-y/(kN?m)剛構(gòu)墩103J[108]81316.15剛構(gòu)墩樁基130I[137]6413.39

由圖3可知，E1地震作用下連續(xù)剛構(gòu)橋的彎矩包絡(luò)圖沿橫橋向基本對稱分布，同樣主要集中在墩梁固結(jié)位置，可見結(jié)構(gòu)剛度的提升會加大自身在地震荷載作用下的橫橋向彎矩值。將連續(xù)剛構(gòu)橋橫橋向強(qiáng)度列入表5。

表5 連續(xù)剛構(gòu)橋橫橋向強(qiáng)度

從橋墩、樁基橫橋向驗(yàn)算結(jié)果表中可以看出在E1地震作用下：橋墩、樁基強(qiáng)度同樣滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2 E2地震作用強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

3.2.1 順橋向計(jì)算結(jié)果

抗震分析中E2地震作用下順橋向的彎矩包絡(luò)圖如圖4所示，將相應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果極值列入表6。

圖4 E2地震順橋向彎矩包絡(luò)圖

結(jié)構(gòu)類型單元位置彎矩- z/(kN?m)剛構(gòu)墩103J[108]189931.29剛構(gòu)墩樁基130I[137]14669.92

由圖4可知，考慮支座滑動摩阻力后，E2地震作用下連續(xù)剛構(gòu)橋的順橋向彎矩包絡(luò)圖仍沿跨中呈對稱分布，此外，E2地震作用下彎矩最大值出現(xiàn)位置與E1地震作用下結(jié)構(gòu)位置一致：同樣主要集中在墩梁固結(jié)位置，將連續(xù)剛構(gòu)橋順橋向強(qiáng)度列入表7。

表7 連續(xù)剛構(gòu)橋順橋向強(qiáng)度

從橋墩、樁基順橋向驗(yàn)算結(jié)果表中可以看出在E2地震作用下：橋墩、樁基強(qiáng)度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2.2 橫橋向計(jì)算結(jié)果

抗震分析中E2地震作用下順橋向的彎矩包絡(luò)圖如圖5所示，將相應(yīng)位置的計(jì)算結(jié)果極值列入表8。

圖5 E2地震橫橋向彎矩包絡(luò)圖

表8 橋墩橫橋向最大彎矩對應(yīng)結(jié)果

由圖5可知，考慮支座滑動摩阻力后，E2地震作用下連續(xù)剛構(gòu)橋的彎矩包絡(luò)圖沿橫橋向基本對稱分布，同樣主要集中在墩梁固結(jié)位置。將連續(xù)剛構(gòu)橋橫橋向強(qiáng)度列入表9。

表9 連續(xù)剛構(gòu)橋橫橋向強(qiáng)度

從橋墩、樁基橫橋向驗(yàn)算結(jié)果表中可以看出在E2地震作用下：橋墩、樁基強(qiáng)度同樣滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合某單箱單室連續(xù)剛構(gòu)橋，對永久作用和地震作用下及是否考慮支座滑動摩阻力兩種工況下，連續(xù)剛構(gòu)梁橋的抗震性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明兩種工況下連續(xù)梁橋順橋和橫橋向的橋墩、樁基強(qiáng)度同樣滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。