连续刚构箱梁桥抗震能力分析方法

王逸庶，瞿 翔，刘 敏

(云南省公路工程监理咨询有限公司，云南昆明 610031)

连续刚构桥是指墩梁固结的连续梁桥，多采用箱型梁桥形式，鉴于其墩梁固结体系，连续刚构桥具备T形钢构桥和连续梁桥的优点[1]。由于连续刚构桥施工简便，结构受力明确，已成为大跨度预应力混凝土桥梁的首选桥型[2]。连续刚构梁桥墩塔固结的结构形式在减少支座费用的基础上，还改善了桥梁结构在地震荷载中的抗震性能。由于桥梁结构属于静定或超静定结构，对地震荷载作用较为敏感，因此选择适宜的桥梁抗震性能分析方法对连续刚构桥设计尤为重要[3-4]。

为此，文章以数值模拟为分析手段，结合某连续刚构箱梁桥进行了抗震能力分析，用以指导该桥梁的设计。

1 工程概况

某连续刚构桥桥跨布置为(62+105+62)m的箱梁，单箱单室，支点梁高6.5 m，跨中梁高2.8 m。桥宽：0.5(栏杆)+16(行车道)+0.5(栏杆)=17m。设计活载为公路-I级纵桥向预应力材料采用270级低松弛预应力钢绞线，标准强度fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。预应力束均采用Φs15.2(7×5)钢绞线组成，预应力管道采用预埋钢波纹管成型，预应力锚固体系采用OVM15系列。桥梁混凝土采用C50混凝土，具体参数如表1所示。

表1 连续刚构桥混凝土参数

2 有限元模型

2.1 模型参数

根据GB 18306-2015《中国地震动参数区划图》[5]，路线未见新活动性构造发育。本段高速公路地震基本烈度为Ⅶ度。线路50年超越概率10 %的一般场地(中硬)地震动峰值加速度为0.10g，地震动反应谱特征周期为0.40 s。

根据规范表3.1.2判定本桥梁抗震设防类别为B类，依据规范5.2条设计加速度反应谱最大值Smax=2.25CiCsCdA。

其中水平向设计基本地震动加速度值A=0.1g；抗震重要性系数Ci按规范中相关规定进行取用，E1地震作用下Ci=0.5，E2地震作用下Ci=1.7；II类场地系数Cs=1.0，阻尼调整系数Cd=1，特征周期Tg=0.4。抗震计算采用作用组合如下：

(1)永久作用，包括结构重力(恒载)、预应力、土压力、水压力。

(2)地震作用，地震动作用和地震土压力、水压力。

2.2 模型的建立

连续刚构桥的抗震计算采用空间模型，模型依据规范建模原则考虑上下部和地基的共同刚度。E2地震作用下顺桥向活动支座考虑恒载作用下支座滑动摩阻力，动摩擦系数u=0.03，考虑桩土共同作用时表征土介质弹性值的“m”法参数采用动载md静载mj的关系为md=(2～3)mj。具体模型见图1。

第一层素填土厚度约1.5m。γ平均值为18.5kN/m3，根据工程经验取值C=2kPa，Φ=30°(下同)。

图1 连续刚构桥62+105+62抗震计算模型

2.3 计算工况

本次连续刚构桥的抗震计算主要针对2种工况进行抗震计算，具体如下：

工况一：E1地震作用：永久作用+地震作用；

工况二：E2地震作用：永久作用+地震作用+支座滑动摩阻力。

3 抗震分析结构

对连续刚构桥分为进行顺桥向和横桥向的E1和E2地震作用的抗震分析，具体结果如下。

3.1 E1地震作用强度计算结果

3.1.1 顺桥向计算结果

抗震分析中E1地震作用下顺桥向的弯矩包络图如图2所示，将相应位置的计算结果极值列入表2。

图2 E1地震顺桥向弯矩包络图

结构类型单元位置弯矩-y/(kN∙m)刚构墩103J[108]73211.68刚构墩桩基130I[137]6476.58

由图2可知，E1地震作用下连续刚构桥的顺桥向弯矩包络图沿跨中呈对称分布，且主要集中在墩梁固结位置，可见结构刚度的提升会加大自身在地震荷载作用下的顺桥向弯矩值。将连续刚构桥顺桥向强度列入表3。

表3 连续刚构桥顺桥向强度

从桥墩、桩基顺桥向验算结果表中可以看出在E1地震作用下：桥墩、桩基强度满足现行规范要求。

抗震分析中E2地震作用下顺桥向的弯矩包络图如图3所示，将相应位置的计算结果极值列入表4。

图3 E2地震横桥向弯矩包络图

结构类型单元位置弯矩-y/(kN∙m)刚构墩103J[108]81316.15刚构墩桩基130I[137]6413.39

由图3可知，E1地震作用下连续刚构桥的弯矩包络图沿横桥向基本对称分布，同样主要集中在墩梁固结位置，可见结构刚度的提升会加大自身在地震荷载作用下的横桥向弯矩值。将连续刚构桥横桥向强度列入表5。

表5 连续刚构桥横桥向强度

从桥墩、桩基横桥向验算结果表中可以看出在E1地震作用下：桥墩、桩基强度同样满足现行规范要求。

3.2 E2地震作用强度计算结果

3.2.1 顺桥向计算结果

抗震分析中E2地震作用下顺桥向的弯矩包络图如图4所示，将相应位置的计算结果极值列入表6。

图4 E2地震顺桥向弯矩包络图

结构类型单元位置弯矩- z/(kN∙m)刚构墩103J[108]189931.29刚构墩桩基130I[137]14669.92

由图4可知，考虑支座滑动摩阻力后，E2地震作用下连续刚构桥的顺桥向弯矩包络图仍沿跨中呈对称分布，此外，E2地震作用下弯矩最大值出现位置与E1地震作用下结构位置一致：同样主要集中在墩梁固结位置，将连续刚构桥顺桥向强度列入表7。

表7 连续刚构桥顺桥向强度

从桥墩、桩基顺桥向验算结果表中可以看出在E2地震作用下：桥墩、桩基强度满足现行规范要求。

3.2.2 横桥向计算结果

抗震分析中E2地震作用下顺桥向的弯矩包络图如图5所示，将相应位置的计算结果极值列入表8。

图5 E2地震横桥向弯矩包络图

表8 桥墩横桥向最大弯矩对应结果

由图5可知，考虑支座滑动摩阻力后，E2地震作用下连续刚构桥的弯矩包络图沿横桥向基本对称分布，同样主要集中在墩梁固结位置。将连续刚构桥横桥向强度列入表9。

表9 连续刚构桥横桥向强度

从桥墩、桩基横桥向验算结果表中可以看出在E2地震作用下：桥墩、桩基强度同样满足现行规范要求。

4 结束语

本文结合某单箱单室连续刚构桥，对永久作用和地震作用下及是否考虑支座滑动摩阻力两种工况下，连续刚构梁桥的抗震性能进行分析，结果表明两种工况下连续梁桥顺桥和横桥向的桥墩、桩基强度同样满足现行规范要求。