某高架橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震分析與計算

付勁松

(合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

我國處于世界兩大地震帶之間，幾乎所有的省市、自治區(qū)都發(fā)生過6級以上的破壞性地震。突發(fā)性、不可預(yù)報性的地震帶來生命財產(chǎn)等多方面破壞，災(zāi)后救援也給城市交通基建帶來巨大考驗，因此抗震設(shè)防在設(shè)計工作中的重要性也愈發(fā)凸顯。新建橋梁，尤其是城市高架橋梁設(shè)計中應(yīng)建立可靠的抗震體系，以滿足橋梁抗震要求。

1 工程實例

項目背景為一座城市高架跨線橋，選取其中一聯(lián)三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋。橋梁中心線為直線，其跨徑布置為3×24 m，橋?qū)?5 m。主梁橫斷面形式采用等寬等截面單箱多室魚腹式箱梁，梁高2.2 m。橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式橋墩，墩柱為矩形截面，頂部縱向擴頭，基礎(chǔ)采用4根直徑1.8 m鉆孔灌注樁。上部結(jié)構(gòu)中的箱梁采用C50混凝土，橋墩墩柱采用C40混凝土，墩柱承臺采用C30混凝土，樁基采用C30水下混凝土。在建立有限元模型的過程中，主梁、橋墩、承臺及系梁樁基均采用梁單元模擬，主梁與橋墩支座采用彈性連接以支座實際剛度模擬，樁基礎(chǔ)約束采用等代土彈簧剛度模擬，二期恒載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量加載，結(jié)構(gòu)離散如圖1所示。

圖1 橋梁有限元模型

2 抗震分析

2.1 地震資料

根據(jù)項目地理位置及項目地質(zhì)勘測報告，本項目地段地震基本烈度為7度(0.10g)，設(shè)計特征周期為0.35 s，工程場地類別為Ⅱ類，地基抗震容許承載力調(diào)整系數(shù)Ke=1.5。橋梁抗震設(shè)防分類為丙類，橋梁抗震設(shè)計方法采用A類方法，應(yīng)進行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗算，應(yīng)滿足在E1地震作用下震后立刻使用，在E2地震作用下不產(chǎn)生嚴重的結(jié)構(gòu)損傷。

2.2 抗震分析

E1=1.0永久荷載+1.0×E1(X)+ 1.0×E1(Y)

E2=1.0永久荷載+1.0×E2(X)+ 1.0×E2(Y)

橋梁采用雙柱墩，采用類型Ⅰ的抗震體系，即延性設(shè)計：地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩，塑性鉸區(qū)域如圖2所示。

圖2 橋梁塑性鉸區(qū)域

采用MM多振型反應(yīng)譜法進行抗震分析，振型組合采用SRSS法，本項目取前30階振型進行計算，計算的振型階數(shù)在X、Y、Z方向上的振型參與質(zhì)量均大于90%，以全橋的成橋狀態(tài)為初始條件對模型進行結(jié)構(gòu)動力特性分析，以固定支座所在的ZX8墩為例，前5階振型的頻率及振型特征見表1，如圖3所示。

表1 主橋動力特性表

圖3 前五階振型節(jié)選(振型一、振型四)

橋梁取最高墩進行驗算，計算軟件采用橋梁博士V4.2，橋墩箍筋體積含箍率計算得為0.66%；橋墩等效塑性鉸長度Lp計算得0.886 4 m，如圖4所示。

圖4 屈服面示意圖及具體參數(shù)

2.3 E1地震作用下抗震驗算

E1地震作用下，采用A類抗震設(shè)計方法設(shè)計的本橋梁強度應(yīng)按相關(guān)規(guī)范規(guī)定進行驗算。具體包括以下8個工況(空間桿系)：①maxMy；②minMy；③maxMz；④minMz；⑤maxN；⑥minN；⑦maxN-Mz；⑧minN-Mz。驗算結(jié)果如圖5所示，圖中符號以受壓為正，受拉為負。

圖5 各個工況下橋墩強度驗算(節(jié)選)

得出結(jié)論：在E1地震作用下，橋墩強度滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定要求。

2.4 E2地震作用下抗震驗算

E2地震作用下，首先判定結(jié)構(gòu)是否進入塑性階段，表2為各個最不利軸力組合工況下塑性鉸位置內(nèi)力組合，并結(jié)合彎矩曲率分析，以等效屈服彎矩作為臨界點，從而判斷結(jié)構(gòu)是否進入塑性階段。

由表2可知，橋墩作為延性構(gòu)件需要進行有效截面剛度折減，按表2中最不利數(shù)值取用，系數(shù)為0.23。

對于雙柱墩，進行PUSHOVER分析，得出橋墩容許位移，如圖6所示。當墩柱的任一塑性鉸達到其最大容許轉(zhuǎn)角或塑性鉸區(qū)控制截面達到最大容許曲率時，墩頂縱梁的橫橋向或順橋向水平位移即為容許位移。

表2 各個工況下塑性鉸位置內(nèi)力組合

圖6 E2地震作用下橋墩墩頂位移驗算

根據(jù)圖6內(nèi)容可得出結(jié)論，在E2地震作用下，橋梁墩頂橫橋向及順橋向水平位移均小于容許位移。

2.5 能力保護構(gòu)件驗算

能力保護構(gòu)件的驗算主要包括墩柱塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的斜截面抗剪強度驗算、樁基礎(chǔ)截面抗彎強度驗算、橋墩球形橡膠支座厚度及抗滑穩(wěn)定性驗算。

經(jīng)計算，橋梁最高墩剪力設(shè)計值為1 750 kN，對應(yīng)支座采用JQZ(Ⅲ)-15-GD支座水平承載力為15 000×0.225=3 375 kN>1 750 kN。支座滿足要求。

圖7 墩柱塑性鉸縱橋向、橫橋向斜截面抗剪強度

3 抗震構(gòu)造設(shè)計

本聯(lián)橋梁最不利墩高為8 m，塑性鉸區(qū)域箍筋直徑為12 mm及16 mm，全度箍筋間距為100 mm。加密長度大于墩柱截面邊長；加密箍筋間距小于等于100 mm；箍筋直徑大于等于10 mm。通過計算塑性鉸區(qū)域最小體積配箍率為0.52%>0.4%(最小配箍率)，橋墩縱向配筋率0.6%<1.27%(根據(jù)項目圖紙)<4%，滿足抗震構(gòu)造要求。

本橋梁設(shè)置了限位裝置以控制梁端位移；橋梁采用了擋塊以限制縱橫向落梁；梁與橋臺之間加裝了橡膠墊。

4 結(jié) 論

(1)E1地震作用驗算中，橋墩強度驗算通過，均在彈性范圍之內(nèi)，符合《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)的相關(guān)規(guī)定。

(2)E2地震作用驗算中，橋墩進入彈塑性狀態(tài)，橋墩墩頂位移驗算通過，符合《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)的相關(guān)規(guī)定。

(3)能力保護構(gòu)件驗算中，能力保護構(gòu)件墩柱塑性鉸區(qū)域斜截面抗剪強度驗算、蓋梁強度驗算、樁基礎(chǔ)強度驗算、支座抗震驗算均通過，符合《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)的相關(guān)規(guī)定。

(4)抗震構(gòu)造設(shè)計中，橋墩箍筋構(gòu)造、最小體積配箍率和縱向配筋率均符合《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)的相關(guān)規(guī)定；且橋墩螺旋箍筋必須采用對接焊，并伸入核心混凝土之內(nèi)至少16.8 cm。

(5)抗震措施中，梁端安全距離及各片梁間橫向聯(lián)系符合《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)的相關(guān)規(guī)定；并建議設(shè)置限位裝置來控制梁端位移。