嫩江大橋主橋下部抗震分析

高 峰

(吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林 長春 130021)

1 項(xiàng)目概況

以嫩江大橋的主橋?yàn)楣こ瘫尘埃撝鳂驗(yàn)?70+2×120+70)m半剛構(gòu)—連續(xù)梁橋，為B類非規(guī)則橋梁，必須進(jìn)行E1地震作用和E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)，E1地震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度，E2地震作用下驗(yàn)算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度與變形。該橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室變截面箱截面，主墩采用雙薄壁實(shí)心矩形橋墩，橋臺采用肋板臺，邊墩采用雙柱式實(shí)心矩形橋墩，C40混凝土，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，C30混凝土。該橋址地震基本烈度值為7度，場地類型Ⅲ類。

2 E1地震作用下，地震力計(jì)算及強(qiáng)度驗(yàn)算

E1地震作用分析時(shí)采用多振型反應(yīng)譜法，按順橋向和橫橋向分別輸入加速度反應(yīng)譜計(jì)算地震反應(yīng)?；炷两Y(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05，根據(jù)《工程場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，確定該工程場地設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜曲線見圖1。

抗震分析模型中考慮了樁土的共同作用(作用位置在一般沖刷線以下)，計(jì)算出承臺底群樁基礎(chǔ)的耦合剛度。E1地震作用下按橋墩受力最不利情況考慮，即不考慮滑動(dòng)墩對地震力的分擔(dān)作用，順橋向地震力全部由固結(jié)墩承擔(dān)，橫橋向地震力由各橋墩共同承擔(dān)。由于引橋在邊墩處設(shè)置滑動(dòng)支座，因此不考慮順橋向相鄰引橋?qū)χ鳂蛘饎?dòng)的影響，橫橋向作用將引橋上部反力轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量來考慮。2號墩為固結(jié)墩，墩頂節(jié)點(diǎn)與主梁剛性連接；其余橋墩順橋向自由，橫橋向及豎向采用大剛度約束位移。二期荷載轉(zhuǎn)化為X，Y，Z三方向的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量；地震力分析時(shí)只考慮水平地震力作用，即分別計(jì)算順橋向X與橫橋向Y的地震作用。

使用有限元程序Midas進(jìn)行分析計(jì)算，動(dòng)力模型見圖2。

根據(jù)動(dòng)力計(jì)算模型，采用多重Ritz向量法計(jì)算得到該橋的動(dòng)力特性，特征值分析結(jié)果如表1所示。

表1 模型動(dòng)力特性

主橋下部橋墩各控制截面地震力結(jié)果如表2所示。

表2 控制截面地震力

公路橋梁抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮永久作用及地震作用，組合方式應(yīng)包括各種效應(yīng)的最不利組合。同時(shí)根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，分別按照承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)，對各種作用進(jìn)行組合，橋墩在地震作用、永久作用及可變作用下荷載組合(經(jīng)試算風(fēng)荷載及流水壓力對橋墩作用效應(yīng)較小，組合中沒有計(jì)入)，計(jì)算得到橋墩結(jié)構(gòu)配筋。

3 E2地震作用下，抗震計(jì)算

根據(jù)兩水平的抗震設(shè)計(jì)思想，E2地震作用下，要采用延性抗震設(shè)計(jì)方法，引入能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)原則，使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞。選擇地震中預(yù)期出現(xiàn)塑性鉸的合理位置，保證結(jié)構(gòu)形成一個(gè)適當(dāng)?shù)乃苄院哪軝C(jī)制，確保塑性鉸只出現(xiàn)在選定的位置，以保證地震破壞只發(fā)生在一座橋梁預(yù)定的部位，而且是可控的。通過強(qiáng)度和延性設(shè)計(jì)，確保塑性鉸區(qū)域截面的延性能力。

順橋向地震力作用下，固結(jié)墩柱的端部區(qū)域?yàn)樗苄糟q區(qū)域，因此選定固結(jié)墩墩頂和墩底作為塑性鉸區(qū)域,其他墩按彈性計(jì)算考慮，不進(jìn)入塑性狀態(tài)；沿橫橋向，固結(jié)墩及過渡墩選定端部區(qū)域?yàn)樗苄糟q區(qū)域，其他橋墩選定底部區(qū)域?yàn)樗苄糟q區(qū)域。采用纖維截面模擬塑性鉸作用，可以準(zhǔn)確模擬受彎構(gòu)件、偏心構(gòu)件的力學(xué)特性，同時(shí)也可以考慮截面內(nèi)纖維的局部損傷狀態(tài)，模型中，程序自動(dòng)計(jì)算非彈性剛度。根據(jù)材料性質(zhì)不同，將橋梁墩柱截面分為保護(hù)層混凝土、核心混凝土、鋼筋幾部分，通過彈塑性纖維梁—柱單元模擬鋼筋混凝土墩柱，根據(jù)材料不同，分為混凝土纖維和鋼筋纖維。對預(yù)期會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的配筋設(shè)計(jì)，保證其延性抗震能力，塑性鉸區(qū)的橫向鋼筋不僅約束混凝土，提高其抗壓強(qiáng)度和延性，同時(shí)也要防止縱向鋼筋發(fā)生壓潰屈曲。

E2地震作用下，考慮支座邊界非線性作用，采用滯后系統(tǒng)模擬支座，考慮支座的滑動(dòng)摩阻力的影響。阻尼采用瑞麗阻尼。另外計(jì)算中，也考慮了相鄰結(jié)構(gòu)和邊界條件的影響，將相鄰一聯(lián)橋梁也建入計(jì)算模型。塑性鉸材料特征參數(shù)按抗震細(xì)則給定公式取用。

E2采用2000年重現(xiàn)期地震動(dòng)時(shí)程，地震安評報(bào)告結(jié)果提供了7條地震動(dòng)時(shí)程曲線。為了進(jìn)行抗震的時(shí)程驗(yàn)算，以橋址地表設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜進(jìn)行人造地震動(dòng)合成。計(jì)算選取一般沖刷線處，2000年重現(xiàn)期地震時(shí)程為地震輸入(圖中僅示出一條時(shí)程曲線)，如圖3所示。

3.1 計(jì)算參數(shù)選取

混凝土采用Kent & Park滯回模型模擬，可以考慮橫向約束鋼筋的約束效果。鋼筋采用Menegotto-Pinto滯回模型模擬，具有計(jì)算效率高、與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好的特點(diǎn)(見圖4，圖5)。

依據(jù)《抗震細(xì)則》，確定纖維材料本構(gòu)特征值，建立纖維截面。

3.2 E2時(shí)程計(jì)算結(jié)果

E2地震作用下對延性構(gòu)件(固結(jié)墩)驗(yàn)算變形，對非延性構(gòu)件及能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算強(qiáng)度。根據(jù)E1計(jì)算結(jié)果考慮自由墩按彈性設(shè)計(jì)，選定固結(jié)墩墩頂及墩底為塑性鉸區(qū)。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，時(shí)程分析的最終結(jié)果，當(dāng)采用7組時(shí)程波計(jì)算時(shí)，應(yīng)取7組計(jì)算結(jié)果的平均值。

1)墩梁相對位移結(jié)果(僅示出部分結(jié)果)(見圖6，圖7)。

2)延性構(gòu)件驗(yàn)算。順橋向?qū)探Y(jié)墩墩底及墩頂，進(jìn)行塑性鉸區(qū)域抗剪強(qiáng)度及轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行驗(yàn)算；橫橋向?qū)探Y(jié)墩墩底及墩頂，其余各個(gè)橋墩墩底進(jìn)行塑性鉸區(qū)域抗剪強(qiáng)度及轉(zhuǎn)動(dòng)能力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明，在E2地震力作用下，該結(jié)構(gòu)延性構(gòu)件橫橋向及順橋向變形均滿足規(guī)范要求。順橋向和橫橋向E2地震作用效應(yīng)和永久作用效應(yīng)組合后，按設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定驗(yàn)算橋墩強(qiáng)度，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)仍采用正常使用極限狀態(tài)組合配筋結(jié)果，處于彈性工作范圍。

4 結(jié)論

1)本橋結(jié)構(gòu)基頻小于一般連續(xù)剛構(gòu)體系的基頻，表明雙薄壁墩設(shè)計(jì)在一定程度上使橋梁整體結(jié)構(gòu)具有柔性特征，該橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。2)經(jīng)過與E1地震作用效應(yīng)和永久作用效應(yīng)驗(yàn)算橋墩強(qiáng)度對比，本橋橋墩強(qiáng)度由正常使用極限狀態(tài)控制。3)結(jié)果表明，基于延性設(shè)計(jì)的理念，對于塑性鉸區(qū)域的設(shè)計(jì)和處理是合理的，有效地提高了橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。