不等跨预应力连续箱梁人行天桥抗震性能分析

李云 LI Yun

（云南天坤人力资源管理有限公司，昆明 650500）

0 引言

在城市的发展过程中，为了缓解车辆拥堵以及行人过街安全性的问题，在必要的位置设置天桥是有必要的。人行天桥是一种典型的空间结构，其由跨越结构和梯道结构组成，其布置形式有多种，包括正对称、反对称结构等，其所承受的荷载较小，一般可变荷载就是行人荷载，因此大多数设计者会忽略对其的抗震设计而参考类似工作进行设计[1]，但其结构一般是由多种结构组合而成的，其中还包括异形结构，其在受力上会存在较大的差异，因此在对人行天桥进行地震相应分析时，与常规桥梁会存在较大的差异，其不仅要对主体结构的桥墩进行地震响应分析，同时也需对梯道等附属结构的桥墩进行分析[2]。

本文以某不等跨的现浇预应力混凝土连续箱梁人行天桥为例，其计算跨径为13.05m+26.45m。采用某有限元软件建立整体模型，采用MM多振型反应谱法分析，并考虑桩土的共同作用，用弹簧模拟侧土刚度，对其主体结构的桥梁和连廊的桥墩在顺桥向和横桥向的内力进行验算，并得出相关结论，以期对类似工程提供参考[3]。

1 项目概况

该人行天桥，位于某街交叉口以东，上跨一条路宽25m的市政路，呈南北走向，连接A2、A3地块，桥长为56m，采用两跨13.05m+26.45m上跨龙润西路，桥梁净宽为8m，P03桥墩处包含两侧各0.55m装饰柱（含缝）后总宽为10.1m；上部主梁采用现浇预应力钢筋混凝土箱梁，梁高2.0m，单箱三室，主梁宽9m；梯道桥为浇钢筋混凝土板，板厚0.5m，标准段板宽全段10.2m，梯道梁采用现浇钢筋混凝土板；下部结构采用柱式墩和钻孔灌注桩基础。其立面图如图1所示。

图1 桥型布置图

2 有限元建模

2.1 有限元模型

依据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）（以下简称《抗震规范》），本项目采用E1和E2两种地震动水平进行抗震设防。根据《抗震细则》，本项目桥梁抗震设防分类均为丁类，抗震设计方法为B类。桥梁设防标准满足以下要求：E1地震作用下结构总体反应在弹性范围内，基本无损伤。E2地震作用下不致倒塌。

本项目桩基内力按m法计算。正常使用状态下，墩柱、基桩按集成刚度法，计算温度、风载等水平荷载的分配。计中充分考虑了各种最不利组合下的荷载效应，使用有限元软件对内力计算分析，墩柱、桩身等按普通钢筋混凝土结构进行设计[4]。

设计中充分考虑了各种最不利组合下的荷载效应，使用有限元软件对内力计算分析，墩柱、桩身等按普通钢筋混凝土结构进行设计，并在抗震验算使用杆系单元和板单元建立模型，依据规范进行验算。其有限元模型如图2。

图2 全桥模型

2.2 地震作用参数

2.2.1 抗震参数和分析方法

根据《清华大学附属中学郑州学校过街通道工程岩土工程勘察报告》（以下简称《勘察报告》），场地所在地区的设计基本地震加速度0.15g，对应地震基本烈度为7度，地震动加速度反应特征周期为0.45s，工程场地类别为Ⅱ类。

同时根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）表3.3.3确定该桥按照B类抗震设计方法。并根据3.3.2条第二款与6.1.3条：应进行E1地震作用下的抗震分析和验算，计算方法采用MM多振型反应谱法分析。

2.2.2 桩-土效应模拟

根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）第6.2.7条，桥梁抗震分析模型应考虑桩土的共同作用，桩土的共同作用可用等代土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度可采用表征土介质弹性值得m参数来计算。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）附录P.0.2规定，非岩石地基水平抗力刚度采用k=mzbh计算，计算得土层刚度k随深度变化为7344kN/m～642600kN/m。

2.2.3 反应谱函数

由《勘察报告》与《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011），在有限元上生成E1地震作用下的反应谱如图3。

图3 反应谱函数图

3 抗震验算

采用有限元软件进行计算分析，结构自振特性计算采用Ritz法，横、纵各计算30阶。振型组合类型采用CQC法。抗震计算采用整体建模，考虑土-下部结构-上部结构的共同协同工作抵抗顺、横桥向地震作用，桩基按m法考虑桩土共同作用，用弹簧模拟侧土刚度[5]。

3.1 主体结构桥墩验算

对全桥的受力进行分析，由于篇幅有限，仅提取桥墩在顺桥向最大弯矩和轴力图如图4-图5所示，并将最不利桥墩的计算结果提取出来。

图4 顺桥向最不利弯矩图（kN·m）

由图4-图5图形计算结果可知，其最不利桥墩为P03墩。在墩顺桥向最大弯矩：2839kN·m，最大轴力3858.3kN；在墩横桥向最大弯矩：2685.1kN·m，最大轴力3781.2kN。

图5 顺桥向最不利轴力图（kN）

由《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）7.2.1条：采用B类抗震设计方法设计的桥梁，横桥向和顺桥向E1地震作用按本规范5.2.2条组合后，应按现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）相关规定对其构件强度进行验算。

故，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018），考虑为大偏心受压构件，其矩形截面墩柱偏心受压承载力验算结果详见表1。

表1 墩柱弯矩与轴力验算结果

从表1可以看出，在地震作用下，其较为不利的是顺桥向的抗震验算，其轴力的安全系数为2.05，仍有较大的富余，符合规范的要求；横桥向的抗震验算中，最不利的也是其轴力组合，安全系数也有2.61，满足规范要求。因此，该桥主体结构桥墩在该地区的抗震验算满足规范要求。

3.2 连廊桥墩验算

同时也对连廊在地震作用下的内力进行分析，由于篇幅有限，仅提取连廊桥墩在顺桥向最大弯矩和轴力图如图6-图7所示，并将最不利桥墩的计算结果提取出来。

图6 顺桥向最不利弯矩图（kN·m）

由图形6-图7计算结果可知，其最不利桥墩为P04墩。在墩顺桥向最大弯矩：457.1kN·m，最大轴力411.7kN；在墩横桥向最大弯矩：237.7kN·m，最大轴力579.7kN。

图7 顺桥向最不利轴力图（kN）

同理，在考虑为大偏心受压情况下，其矩形截面墩柱偏心受压承载力验算结果详见表2。

表2 墩柱弯矩与轴力验算结果

从表2可以看出，在地震作用下，其较为不利的也是顺桥向的抗震验算，其弯矩的安全系数为1.56，轴力的安全系数为1.2，符合规范要求，数值较主体结构小的原因是因为为连廊位置处是属于附属结构设施，在保证安全的情况下，其配筋和截面仍是以节约造价为主。其横桥向的弯矩安全系数为4.68，轴力安全系数为2.74，对比规范仍有较大的富余，满足规范要求。因此，该桥连廊处的桥墩在该地区的抗震验算也满足规范要求。

4 结论

本文以某不等跨的现浇预应力混凝土连续箱梁人行天桥抗震验算为例，其计算跨径为13.05m+26.45m。采用某有限元软件建立分析模型，在结合当地抗震烈度等级的情况下，采用MM多振型反应谱法分析，并考虑桩土的共同作用，用弹簧模拟侧土刚度，对其主体结构的桥梁和连廊的桥墩在顺桥向和横桥向的内力进行验算。验算结果表明，该桥主体结构的桥墩和连廊的桥墩抗震均满足规范要求，但因连廊作为附属设施，其下部结构的设计考虑较为不保守，在今后相关设计时，应考虑到这一点。