大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋抗震性能分析

黃民源

(南寧城市建設(shè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530000)

1 概述

我國處于世界兩大地震帶即環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國家。我國地震的特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、分布范圍廣、傷亡大、災(zāi)害嚴(yán)重。幾乎所有的省市、自治區(qū)都發(fā)生過六級(jí)以上的破壞性地震。強(qiáng)烈地震造成了人員傷亡和極大的經(jīng)濟(jì)損失，使建設(shè)成果毀于一旦，引發(fā)長期的社會(huì)、政治和經(jīng)濟(jì)問題，并帶來難以慰藉的感情創(chuàng)傷。橋梁是生命線系統(tǒng)工程中的重要組成部分。在抗震救災(zāi)中，交通運(yùn)輸網(wǎng)是搶救人民生命財(cái)產(chǎn)和盡快恢復(fù)生產(chǎn)、重建家園、減輕次生災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)。因此，對(duì)橋梁進(jìn)行抗震分析，減輕橋梁的地震破壞，保證其安全運(yùn)營，以更好地發(fā)揮橋梁在交通運(yùn)輸以及抗震救災(zāi)中的作用[1]。

本文以某大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)閷?shí)例，采用Midas/Civil大型有限元分析軟件建立主橋的計(jì)算模型，對(duì)支座進(jìn)行模擬，同時(shí)針對(duì)樁基和土體之間的作用特性，樁土作用模擬為空間彈簧，并采用反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計(jì)算。

2 橋梁主橋基本結(jié)構(gòu)

2.1 上部結(jié)構(gòu)

主橋孔跨布置為：75 m+120 m+75 m，全長270 m。橋梁孔跨布置見圖1。箱梁采用分幅式單箱雙室箱型截面，為三向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。箱頂板寬19 m，腹板為斜腹板，腹板傾角15°，底板寬9.286 m～11.805 m，兩翼板懸臂長3.0 m，箱梁頂板設(shè)置成2%單向橫坡，箱梁底板水平設(shè)置。箱梁跨中及邊跨現(xiàn)澆段梁高2.80 m，箱梁根部斷面和墩頂0號(hào)梁段高為7.5 m。橋梁橫斷面尺寸見圖2。

2.2 下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)

主墩為啞鈴形空心截面墩，墩高分別為西岸19.1 m和東岸16.9 m(左幅)、14.4 m(右幅)。主墩立面構(gòu)造為花瓶形，花瓶底寬4.0 m，頂寬7.0 m。主墩側(cè)面為上寬下窄的線性變寬構(gòu)造，由兩個(gè)同樣為上寬下窄線性變寬的方柱和中間的連墻構(gòu)成，西岸主墩橫橋向?qū)挾扔?.3 m漸變到7.58 m，東岸右主墩橫橋向?qū)挾扔?.3 m漸變到8.0 m，東岸左主墩橫橋向?qū)挾扔?.3 m漸變到7.78 m。主墩承臺(tái)厚度為5 m，采用分幅式承臺(tái)，平面尺寸為14.7 m(縱向)×14.7 m(橫向)；主墩樁基為9根2.2 m的鉆孔灌注樁嵌巖樁(見圖3)。

2.3 支承系統(tǒng)

就連續(xù)梁橋本身而言，為保證橋梁外觀線條的簡潔，本橋兩岸主墩上安裝拉索減震支座，兩交界墩安裝盆式橡膠支座。拉索減震支座是一種將常規(guī)盆式橡膠支座與拉索進(jìn)行有效結(jié)合的新型減隔震支座，有固定、活動(dòng)兩種類型，其中固定型由常規(guī)支座、抗剪螺栓、拉索副、固定板等組成，活動(dòng)性無抗剪螺栓。本橋支座設(shè)置分別安裝E1,E2兩種工況進(jìn)行分析：E1地震作用下，僅固定墩參與縱向受力，E2地震作用下，考慮所有橋墩參與縱向受力。

3 抗震概念設(shè)計(jì)

大橋主橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，其孔跨組合為75 m+120 m+75 m，橋面寬度為19 m(單幅)。本橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)梁橋，主墩為變截面花瓶墩，墩高不超過20 m。根據(jù)國內(nèi)外歷次地震后橋梁震損情況，在地震后此類橋梁的主要震害表現(xiàn)為主梁移位，當(dāng)墩梁相對(duì)位移量過大時(shí)或產(chǎn)生落梁；支撐系統(tǒng)破壞甚至失效；橋墩墩底開裂，當(dāng)墩底彎矩超過截面等效彎矩則發(fā)生塑性破壞(塑性鉸)，對(duì)于此類墩高較矮的橋墩，因其線剛度較大，在剪力過大時(shí)可能出現(xiàn)橋墩剪斷的震害。

鑒于上述情況，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮如下要點(diǎn)：

1)墩梁連接方式。

本橋主墩采用盆式橡膠拉索支座作為墩梁間連接傳力構(gòu)件。因本橋的墩高較矮，橋墩的線剛度較大，采用橡膠支座這種梁柱弱連接的形式是適宜的。但橡膠支座對(duì)于墩梁相對(duì)位移的限制不足，故需輔以足夠的限位措施。

2)合理的墩柱線剛度分配。

本橋橋址區(qū)域河流的西岸有較寬河漫灘，較平緩，東岸地形稍有起伏，但兩岸高程差異不大，兩主墩的墩高差異也不大。本橋左幅東西兩岸主墩墩高分別為19.8 m(11號(hào)墩)和16.9 m(12號(hào)墩)，墩高差比為14.6%；右幅東西兩岸主墩墩高分別為19.8 m(11號(hào)墩)和14.4 m(12號(hào)墩)，墩高差比為27.3%。兩岸因墩高不同，線剛度有所差距。因此，主橋固定支座布置在相對(duì)較高的11號(hào)墩頂，調(diào)整橋墩的橫、縱向等效剛度，使其各墩線剛度分配較為合理。

3)塑性鉸區(qū)域的配筋。

除墩梁相對(duì)位移外，墩柱的抗震性能也不容忽視。由于本橋墩柱不高，高階模態(tài)難以激發(fā)，且墩型上寬下窄，故對(duì)于墩柱最不利截面在墩底處。因此需要提高墩底、樁頂塑性鉸區(qū)域的配筋率與配箍率，保證核心混凝土強(qiáng)度，以確保墩柱具有足夠的延性。

4)合理的構(gòu)造措施。

采用支座墊石附近的橫向擋塊及拉索支座分別對(duì)主梁進(jìn)行橫縱向限位，同時(shí)保證交界墩處具有足夠的搭接長度，從而減小主梁在地震中的落梁風(fēng)險(xiǎn)，以達(dá)到“中震不壞，大震可修”的抗震設(shè)防目標(biāo)。

4 抗震計(jì)算

4.1 設(shè)防目標(biāo)

大橋主橋的設(shè)防目標(biāo)為在E1地震作用下，結(jié)構(gòu)不受損壞，不需修復(fù)可繼續(xù)使用；在E2地震作用下局部橋墩可發(fā)生輕微損傷，樁基彈性，地震發(fā)生后，基本不影響車輛的通行。橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)防目標(biāo)如表1所示。

表1 抗震設(shè)防目標(biāo)

4.2 地震動(dòng)參數(shù)

大橋單跨最大跨徑為120 m，為非規(guī)則橋梁；橋址區(qū)域地震基本烈度為7度，根據(jù)CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范第3.3.2條相關(guān)規(guī)定，本橋采用A類抗震設(shè)計(jì)方法。綜合考慮本橋橋型、跨徑及區(qū)域情況，本橋采用多振型反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算分析[2]。本橋抗震計(jì)算基本參數(shù)如表2所示。

表2 抗震分析參數(shù)

根據(jù)本橋抗震基本參數(shù)及加速度反應(yīng)譜取值方法，本橋地震動(dòng)輸入?yún)?shù)及E1,E2階段反應(yīng)譜分別如表2,圖4,圖5所示。

4.3 計(jì)算模型

本橋采用MIDAS CIVIL有限元程序建立動(dòng)力空間計(jì)算模型。有限元計(jì)算模型以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。主梁、墩柱均采用空間的梁單元模擬，軟件計(jì)算采用有限位移理論，NR迭代方式求解。為準(zhǔn)確考慮基礎(chǔ)的影響，建立包括承臺(tái)和樁基的計(jì)算模型。模型中考慮樁土相互作用的影響，忽略阻尼和質(zhì)量特性的影響，建立土彈簧模擬土體性質(zhì)，彈簧剛度根據(jù)M法計(jì)算得到[3]。二期恒載等效為線質(zhì)量均勻施加主梁上。大橋兩端約束橫向和豎向位移，縱向自由。本橋動(dòng)力計(jì)算模型如圖6所示。

1)材料及截面特性。

橋梁主梁采用C55混凝土，主墩采用C40混凝土，承臺(tái)及樁基采用C30混凝土，各構(gòu)件材料及截面特性如表3所示。

表3 材料及截面特性表

2)樁土作用。

土體對(duì)樁基的彈性約束模擬為空間彈簧，用2個(gè)方向的線性彈簧剛度考慮對(duì)樁基的彈性約束作用。對(duì)樁側(cè)土抗力計(jì)算時(shí)，根據(jù)樁基M法計(jì)算的基本原理和模型，再結(jié)合樁長、樁徑及地層巖性，計(jì)算并設(shè)置彈簧剛度[4]。計(jì)算得破碎灰?guī)r每延米的彈簧剛度為2.9×107kN/m，灰?guī)r每延米的彈簧剛度為4.36×107kN/m。

3)支承系統(tǒng)。

本橋主墩支座采用盆式橡膠拉索抗震支座，其結(jié)構(gòu)本質(zhì)為普通盆式橡膠支座，拉索作為連梁限位裝置。因此在進(jìn)行抗震驗(yàn)算時(shí)，本橋支座按照普通盆式橡膠支座進(jìn)行模擬，采用雙線性理想彈塑性彈簧單元模擬，模擬支座滑動(dòng)情況[5]。

根據(jù)模型計(jì)算，由于自重引起的主墩墩頂最大作用力為89 059.7 kN，其各支座支反力為44 529.9 kN；交界墩墩頂最大作用力12 414.7 kN，其各支座支反力為6 207.4 kN。計(jì)算各墩支座橫向剛度為：交界墩：0.21×107kN/m；主墩：1.48×107kN/m。

4)動(dòng)力學(xué)特性。

由于橋梁下部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件在大震時(shí)即E2階段會(huì)發(fā)生開裂，導(dǎo)致構(gòu)件的抗彎剛度減小，需要采用構(gòu)件的折減抗彎剛度進(jìn)行地震反應(yīng)分析，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)下部結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的折減抗彎剛度近似取全截面抗彎剛度的0.8倍。

4.4 計(jì)算結(jié)果

1)工況、荷載組合及驗(yàn)算內(nèi)容。

本報(bào)告采用多振型反應(yīng)譜方法進(jìn)行地震反應(yīng)分析，分析采用前述動(dòng)力計(jì)算模型，其中E1階段對(duì)應(yīng)全截面抗彎剛度模型，E2階段對(duì)應(yīng)折減抗彎剛度模型。計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，取前100階振型，按SRSS法進(jìn)行組合，各方向質(zhì)量參與系數(shù)均在90%以上。

按照CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范5.5條相關(guān)規(guī)定，只考慮永久荷載作用和地震作用效應(yīng)組合，分項(xiàng)系數(shù)取1.0，根據(jù)反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)最不利進(jìn)行組合。根據(jù)本橋所在區(qū)域的地震基本烈度及橋梁的基本情況，抗震計(jì)算時(shí)采用以下兩種工況：①恒載+縱向；②恒載+橫向。

根據(jù)各截面配筋情況，對(duì)結(jié)構(gòu)各控制截面的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算按E1階段和E2階段分別進(jìn)行。

2)驗(yàn)算截面及配筋。

本橋?yàn)槿珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，使用盆式橡膠支座作為墩梁間連接構(gòu)件，為梁柱弱連接體系。本橋橋墩不高，主墩墩高分別為19.5 m和17.5 m，且為花瓶造型，墩柱截面上大下小。因此對(duì)于本橋，其抗震最不利截面為兩岸橋墩的墩底變截面處(Ⅰ)、墩底截面(Ⅱ)處及樁頂截面(Ⅲ)處。這三處截面位置也為本次抗震驗(yàn)算的重點(diǎn)計(jì)算截面。

3)驗(yàn)算結(jié)果。

a.E1階段驗(yàn)算。

在E1地震作用下，各驗(yàn)算截面均應(yīng)處于彈性受力狀態(tài)，故本階段主要驗(yàn)算各截面的地震作用下的彎矩和剪力與該截面的設(shè)計(jì)彎矩與剪力的比值。本橋各驗(yàn)算截面的彎矩、剪力設(shè)計(jì)值如表4所示。

表4 地震作用下各截面彎矩與剪力設(shè)計(jì)值

驗(yàn)算結(jié)果表明，在E1地震作用下，各驗(yàn)算截面分別在恒載+橫向地震動(dòng)及恒載+縱向地震動(dòng)作用下驗(yàn)算結(jié)果如表5所示。結(jié)算結(jié)果表明，在E1地震作用下，各截面彎矩、建立均不超過該截面設(shè)計(jì)彎矩，各截面均處于彈性工作狀態(tài)。

表5 E1地震截面抗震計(jì)算結(jié)果表

b.E2階段驗(yàn)算。

與E1地震作用下的計(jì)算方式不同，在E2地震作用下，首先需要判定截面是否進(jìn)入塑性，即截面計(jì)算彎矩是否超過該截面的等效屈服彎矩(My)。如果計(jì)算彎矩并未超過等效屈服彎矩，表明截面在E2地震作用下還處于彈性工作狀態(tài)；如果計(jì)算彎矩超過等效屈服彎矩，表明截面進(jìn)入塑性，則需進(jìn)行塑性鉸區(qū)域的轉(zhuǎn)動(dòng)性能驗(yàn)算。

在E2地震作用下，各截面等效屈服彎矩及剪力設(shè)計(jì)值如表6所示。

表6 E2地震作用下各截面等效屈服彎矩與剪力設(shè)計(jì)值

驗(yàn)算結(jié)果表明，在E2地震作用下，各驗(yàn)算截面分別在恒載+橫向地震動(dòng)及恒載+縱向地震動(dòng)作用下的驗(yàn)算結(jié)果如表7所示。驗(yàn)算結(jié)果表明，在E2地震作用下，部分截面彎矩雖大于該截面彎矩設(shè)計(jì)值，即截面發(fā)生開裂，但均未超過該截面的等效彎矩，塑性鉸并未出現(xiàn)，各截面均處于彈性工作狀態(tài)。

表7 E2地震作用截面抗震驗(yàn)算結(jié)果表

c.支座驗(yàn)算。

因盆式橡膠拉索抗震支座的力學(xué)性能要求與普通盆式橡膠支座相同，根據(jù)JT 391—1999公路橋梁盆式橡膠支座相關(guān)規(guī)定，60000型拉索支座滑動(dòng)向容許滑動(dòng)的水平位移量為±0.3 m，固定向容許承受的水平力為13 200 kN；GPZ15型盆式橡膠支座滑動(dòng)向容許滑動(dòng)的水平位移量為±0.25 m，固定向容許承受的水平力為1 500 kN。本橋各支座驗(yàn)算結(jié)果如表8，表9所示。

表8 E1地震作用支座抗震驗(yàn)算結(jié)果表

表9 E2地震作用支座抗震驗(yàn)算結(jié)果表

驗(yàn)算結(jié)果表明，在E1地震作用下，各支座的抗滑性能和抗剪性能均滿足要求，支座未發(fā)生破壞；在E2地震作用下，兩岸交界墩(10號(hào)墩、13號(hào)墩)支座計(jì)算水平力超過容許水平力，支座剪切破壞，但總體滿足在E2地震作用下橋梁有限損傷的抗震設(shè)防目標(biāo)。

4)驗(yàn)算結(jié)論。

根據(jù)CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，采用多模態(tài)反應(yīng)譜法完成了地震反應(yīng)分析結(jié)果，并進(jìn)行驗(yàn)算，通過計(jì)算結(jié)果表明：

a.在E1,E2地震作用下，大橋橋墩和樁基均能滿足抗震要求。

b.在E1地震作用下，大橋支座未發(fā)生破壞，滿足抗震要求；在E2地震作用下，大橋支座滿足有限損傷的抗震設(shè)防目標(biāo)。

5 結(jié)語

對(duì)橋梁進(jìn)行抗震分析，減輕橋梁的地震破壞，保證其安全運(yùn)營，以更好地發(fā)揮橋梁在交通運(yùn)輸以及抗震救災(zāi)中的作用。本文以某大跨度預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋?yàn)閷?shí)例，對(duì)其抗震性能的論證和驗(yàn)算分析做了較為詳細(xì)全面的分析，可為同類型項(xiàng)目的抗震設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考。