西安正阳大道机场东跨线桥抗震弹塑性分析与评价

甄玉杰， 连云杰

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司， 陕西 西安 710075; 2.中建三局集团有限公司)

1 工程概述

西安正阳大道横跨南北，向北纵贯秦汉新城、泾河新城连接西咸北环线，向南通过正阳渭河大桥跨越渭河，是连接大西安各版块之间的重要交通线路之一。该项目南起正阳大桥兰池大道互通式立交，北至秦汉新城与泾河新城交界，全长3.51 km。

机场东线跨线桥，为该项目下穿机场东线所设的一座分离式立交桥，建成后桥梁属于机场东线。该桥为一座4×30 m预应力混凝土现浇连续箱梁桥，桥梁全长125 m，桥梁全宽15.5 m。桥梁总体布置如图1所示。其主要技术标准如下：设计汽车荷载等级：公路-Ⅰ级；环境类别：Ⅰ类；地震基本烈度：8度，地震动峰值加速度为0.20g，桥梁抗震设防措施等级为9度；结构安全等级：一级；设计基准期：100年。

图1 机场东线跨线桥桥型总体布置(单位：cm)

大桥平面位于半径R=4 550 m的圆曲线上；纵面位于纵坡i1=-0.54%，i2=-0.3%的直线上。

2 上部结构设计

上部结构采用预应力混凝土现浇连续箱梁。主梁断面图如图2所示。桥面宽15.5 m(0.25 m人行道护栏+2.75 m人行道+9.5 m行车道+2.75 m人行道+0.25 m人行道护栏)，箱梁中心梁高170 cm，双向坡度均为2%，梁底水平。箱梁采用单箱双室截面, 悬臂长度250 cm，腹板采用斜腹板，投影水平距离为27.5 cm，翼缘板端部厚0.2 m，根部厚0.45 m。箱梁顶板厚25 cm，跨中底板厚22 cm，腹板厚45 cm，支点附近底板由22 cm线性过渡到40 cm，横梁处腹板厚度由45 cm线性过渡到65 cm，腹板变化段与底板变化段均在同一位置，变化长度为6 m。中横梁宽2.2 m，端横梁宽1.5 m。

图2 主梁断面图(单位：cm)

3 下部结构设计

大桥桥墩采用花瓶墩，墩顶截面尺寸为5.2 m×1.6 m，墩身尺寸为2.8 m×1.6 m。横桥向墩顶以下0.4 m范围为5.2 m宽的等宽段, 0.4 m～墩底范围内通过圆弧渐变段变化至2.8 m宽，墩身截面边角设直径0.2 m的圆倒角。桥墩承台厚2.2 m，承台尺寸为5.6 m×5.6 m，基础采用4根直径 1.3 m钻孔灌注摩擦桩。桥墩构造图如图3所示。

图3 桥墩构造图(单位：cm)

桥台采用墙式台，基础采用8根直径 1.2 m钻孔灌注摩擦桩。

4 结构抗震计算

4.1 结构计算模型

结构采用杆系单元建立有限元模型，全桥共分为296个节点，260个单元。

全桥采用HDR支座，支座参数见表1，采用铅芯橡胶支座进行模拟，桩基刚度采用土弹簧模拟。

表1 HDR支座参数

4.2 自振特性计算

桥梁自振特性是研究桥梁动力问题的基础，为了计算地震作用下结构的动力响应，必须首先计算桥梁结构的自振特性。取结构前50、100、200、300阶模态进行试算，得到在第289阶模态各计算方向的有效质量均超过了90%。根据建立的动力计算模型，进行了结构自振特性分析，结构的自振频率及振型特征如表2所示。

表2 成桥状态自振频率及振型

4.3 抗震反应谱曲线

反应谱方法是将动力问题静力化，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值。

根据工程地质勘察报告，该桥地震动峰值加速度为0.2g，基本烈度为8度，场地类别为Ⅱ类，分区特征周期为0.4 s。

阻尼是结构非常重要的动力特性，对于常规预应力混凝土箱梁，结构的阻尼比可取0.05。

抗震分析采用多振型反应谱法，水平设计加速度反应谱S根据地勘报告和JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》确定，E1、E2地震反应谱曲线如图4所示。

图4 E1、E2地震反应谱曲线图

计算地震荷载组合采用SRSS法，纵向和横向地震作用计算时分别考虑50%的竖向作用。

4.4 E1地震验算

根据JTG/TB02-01-2008《公路抗震设计细则》，E1地震作用下桥梁结构处于弹性状态，计算采用轴力-弯矩-曲率曲线中的首次屈服弯矩进行控制，若E1地震作用下塑性铰区的弯矩小于首次屈服弯矩即认为桥梁结构处于弹性状态。

纵向地震作用下，桥墩纵向弯矩如图5所示。

图5 E1地震作用下桥墩纵向弯矩(单位:kN·m)

横向地震作用下，桥墩横向弯矩如图6所示。

图6 E1地震作用下桥墩横向弯矩(单位:kN·m)

为了得到桥墩截面的首次屈服弯矩，需要绘制弯矩曲率曲线，混凝土材料采用Mander模型，钢筋采用双折线模型。

由以上可知：在E1地震作用下，桥墩处于弹性状态。弹性抗震设计，用构件的强度作为衡量结构性能的指标，只需校核构件的强度是否满足要求。经验算，桥墩单元强度验算满足规范要求。

4.5 E2地震验算

在E2地震作用下，验算结构单元强度，发现部分墩底单元已经进入塑性状态，需进行桥墩塑性验算。在E2地震作用下，允许结构进入塑性状态，但应验算结构的塑性铰区抗剪强度(地震中大量钢筋混凝土墩柱的剪切破坏表明，在桥墩塑性铰区域由于弯曲延性增加会使混凝土所提供的抗剪强度降低)。对于规则桥梁，还应验算墩顶位移。桥墩塑性铰区抗剪强度验算结果见表3。

表3 桥墩塑性铰区抗剪强度验算结果

由表3可知：在E2地震作用下，桥墩塑性铰区抗剪强度验算满足规范要求。

桥墩墩顶位移验算结果见表4，满足规范要求。

表4 桥墩墩顶位移验算结果

4.6 支座位移验算

根据桥梁实际情况以及支座检测报告中的参数，采用支座相对位移作为验算指标。

在E2地震作用下，支座纵向和横向位移见表5。

表5 支座水平位移验算结果

综合表5及HDR支座参数可见，支座相对位移在设计容许位移以内，支座验算满足要求。

5 结论

利用大型有限元软件对西安正阳大道机场东跨线桥进行了两阶段两水平抗震设计分析，计算分析表明，大桥结构尺寸取值基本合理，结构在地震荷载作用下，满足规范要求。

(1) 在E1地震作用下，采用弯矩曲率曲线进行验算，结构处于弹性状态，截面抗弯强度满足要求。

(2) 在E2地震作用下，部分墩柱墩底截面发生屈服进入塑性状态，桥墩塑性铰区抗剪强度、墩顶位移、支座水平位移均满足规范要求。在结构设计中，要重视并加强塑性铰区的配筋设计。