大悬臂城市桥梁抗震性能分析

陈健圣，俞 超

（上海新畅园林市政建筑工程有限公司，上海市 201204）

0 引言

随着我国城市基础交通设施的建设，越来越多的城市开始修建城快速环线。城市桥梁由于地形复杂、空间受限等因素，无法采用常规桥型进行设计。为满足城市桥梁桥下净空的要求，某些条件下不得不采用超大悬臂桥墩的设计方案。大悬臂桥墩质量分布具有“头重脚轻”的现象，不利于抗震设防，在地震下具有较大的破坏风险。

本文以一座大悬臂城市桥梁为例，对其结构动力特性进行了分析，采用反应谱法计算其地震响应，并进行了抗震性能验算。本文的计算思路、方法可为类似桥梁的抗震设计计算提供参考和借鉴。

1 桥梁概况

全线上部结构采用预应力T梁，均为30 m跨径桥面连续简支梁桥。桥墩采用超大悬臂设计，单侧最大悬臂长度12.5 m，具体布置如图1所示，桥墩墩高约10 m，基础采用桩基础。

2 有限元模型的建立及动力特性分析

2.1 有限元模型的建立

根据设计方案，采用Midas Civil有限元程序建立三维有限元动力计算模型进行抗震性能分析。计算模型以纵桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖桥向为Z轴。采用多振型反应谱法及线性时程法分析时，主梁、桥墩均采用空间梁单元模拟。墩底约束按固结处理。此外，在过渡墩处施加邻联桥梁恒载以考虑邻联结构的影响。动力计算有限元模型如图2所示。

图1 桥墩横截面（单位：mm）

图2 有限元模型

2.2 动力特性分析

振型分析采用子空间迭代法，本桥的前五阶频率、周期及振型列于表1。

表1 前五阶振型振动特性

本桥的前五阶振型主要以全桥横向振动为主，表明该桥横桥向刚度较纵桥向弱。结构纵向振动出现较晚，处于地震动反应谱的中短周期，地震时结构纵向需承担较大的地震力。

3 地震动输入及地震响应分析

3.1 地震动反应谱

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2001），水平向设计基本地震加速度峰值为0.1g，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.35 s，结合《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[4]的要求，本桥为乙类桥梁，对应E1和E2地震水平反应谱超越概率分别为50年超越概率63%（重现期100年）和50年超越概率2.5%（重现期约2 000年），水平向地震动反应谱如图3所示。竖向设计加速度反应谱由水平向设计地震动加速度反应谱乘以竖向/水平向谱比函数R。本桥桥址为基岩场地，R=0.65。

图3 水平向设计谱

3.2 地震响应分析

E1和E2地震作用下的结构地震响应分析采用反应谱法。计算分析桥梁为多跨30 m桥面连续简支梁桥，经地震响应分析可知，中间墩纵横向内力响应较大，且由于桥墩截面尺寸在纵桥向沿墩高变化，故后续分析中将其墩顶截面和墩底截面作为分析关键截面，如图4所示。

图4 关键截面示意图

E1纵向地震作用和E1横向地震作用下的结构地震弯矩响应分布如图5所示。鉴于篇幅，轴力、剪力及E2地震作用内力响应图未列出。

图5 结构内力响应

E1地震作用和E2地震作用下，桥墩关键截面内力值分别见表2和表3。需要说明的是，列表中轴力压为正，拉为负。

表2 E1地震作用结构内力响应

表3 E2地震作用结构内力响应

4 抗震性能分析

4.1 分析方法

为满足本桥“小震不坏，大震不倒”的抗震设防目标，应分别进行E1作用下的强度计算和E2作用下的延性计算。鉴于本桥由静力计算所确定的截面尺寸较大，经试算，E1作用下强度满足要求，且具有较大冗余度。依据E1地震响应计算数据及长期设计经验，在该截面尺寸下，桥墩仍有可能在E2地震作用下保持弹性。

抗震性能验算中，假设在永久作用+E2地震作用下桥墩仍处于弹性状态，不对其截面刚度进行折减，计算桥墩关键截面是否仍保持弹性。

4.2 桥墩抗弯能力验算

桥墩截面为矩形截面，墩顶截面尺寸为3.2 m×3 m，墩底截面尺寸为3.2 m×5 m，依据静力计算，其配筋情况为：主筋为三层直径40 mm钢筋，层距和间距均为15 cm；净保护层厚度为4 cm；墩底、墩顶加密段长度5 m，箍筋直径16 mm，间距10 cm，其余正常段箍筋直径16 mm，间距15 cm。

表4列出了恒载+E2地震作用下的桥墩关键截面抗震性能验算结果。验算结果表明，桥墩截面仍保持为弹性，且具有较大冗余度。

4.3 桩基抗弯能力验算

桩基由于其在地震作用下受损后无法修复，设计时应按能力保护构件计算，要求在E2地震作用下保持弹性。由于本桥E2地震作用下桥墩仍保持在弹性状态，故桩基计算时可直接采用弹性计算结果。计算时按现行《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007），根据承台底内力按桩基础规范得到单桩最大弯矩，按最小单桩轴力验算桩身抗弯强度。桩基采用直径2.0 m，配筋为32根直径2.8 cm HRB400钢筋。

恒载+E2地震作用下单桩最大弯矩、最不利轴力及验算结果见表5。由计算结果可知，桩基保持在弹性状态且具有一定冗余度。

表4 E2地震作用下桥墩关键截面内力验算结果

表5 E2地震作用桩基关键截面内力验算结果

5 结语

建立了空间动力计算有限元模型，并进行了结构动力特性分析，然后采用反应谱分析法和时程分析法分别对E1（重现期100 a，小震）地震作用和E2（重现期约2 000 a，大震）地震作用下的结构地震响应进行了分析，并对其抗震性能进行了验算，得到以下结论：

（1）在 E2（重现期约 2 000 a，大震）地震作用下，桥墩及桩基关键截面仍处于弹性状态。结构抗震性能总体满足“大震不坏”，远高于乙类桥梁“小震不坏，大震可修”的抗震设防水平。

（2）大悬臂桥梁截面尺寸拟定合理，抗震设防措施得当，也具有强桥的抗震能力。

[1]GB 18306—2001，中国地震动参数区划图[S].

[2]CJJ 166—2011，城市桥梁抗震设计规范[S].