某高架桥梁下部结构抗震分析与计算

付劲松

(合肥市市政设计研究总院有限公司，安徽 合肥 230041)

0 引 言

我国处于世界两大地震带之间，几乎所有的省市、自治区都发生过6级以上的破坏性地震。突发性、不可预报性的地震带来生命财产等多方面破坏，灾后救援也给城市交通基建带来巨大考验，因此抗震设防在设计工作中的重要性也愈发凸显。新建桥梁，尤其是城市高架桥梁设计中应建立可靠的抗震体系，以满足桥梁抗震要求。

1 工程实例

项目背景为一座城市高架跨线桥，选取其中一联三跨预应力混凝土连续箱梁桥。桥梁中心线为直线，其跨径布置为3×24 m，桥宽25 m。主梁横断面形式采用等宽等截面单箱多室鱼腹式箱梁，梁高2.2 m。桥墩采用钢筋混凝土双柱式桥墩，墩柱为矩形截面，顶部纵向扩头，基础采用4根直径1.8 m钻孔灌注桩。上部结构中的箱梁采用C50混凝土，桥墩墩柱采用C40混凝土，墩柱承台采用C30混凝土，桩基采用C30水下混凝土。在建立有限元模型的过程中，主梁、桥墩、承台及系梁桩基均采用梁单元模拟，主梁与桥墩支座采用弹性连接以支座实际刚度模拟，桩基础约束采用等代土弹簧刚度模拟，二期恒载转化为质量加载，结构离散如图1所示。

图1 桥梁有限元模型

2 抗震分析

2.1 地震资料

根据项目地理位置及项目地质勘测报告，本项目地段地震基本烈度为7度(0.10g)，设计特征周期为0.35 s，工程场地类别为Ⅱ类，地基抗震容许承载力调整系数Ke=1.5。桥梁抗震设防分类为丙类，桥梁抗震设计方法采用A类方法，应进行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震验算，应满足在E1地震作用下震后立刻使用，在E2地震作用下不产生严重的结构损伤。

2.2 抗震分析

E1=1.0永久荷载+1.0×E1(X)+ 1.0×E1(Y)

E2=1.0永久荷载+1.0×E2(X)+ 1.0×E2(Y)

桥梁采用双柱墩，采用类型Ⅰ的抗震体系，即延性设计：地震作用下，桥梁的塑性变形、耗能部位位于桥墩，塑性铰区域如图2所示。

图2 桥梁塑性铰区域

采用MM多振型反应谱法进行抗震分析，振型组合采用SRSS法，本项目取前30阶振型进行计算，计算的振型阶数在X、Y、Z方向上的振型参与质量均大于90%，以全桥的成桥状态为初始条件对模型进行结构动力特性分析，以固定支座所在的ZX8墩为例，前5阶振型的频率及振型特征见表1，如图3所示。

表1 主桥动力特性表

图3 前五阶振型节选(振型一、振型四)

桥梁取最高墩进行验算，计算软件采用桥梁博士V4.2，桥墩箍筋体积含箍率计算得为0.66%；桥墩等效塑性铰长度Lp计算得0.886 4 m，如图4所示。

图4 屈服面示意图及具体参数

2.3 E1地震作用下抗震验算

E1地震作用下，采用A类抗震设计方法设计的本桥梁强度应按相关规范规定进行验算。具体包括以下8个工况(空间杆系)：①maxMy；②minMy；③maxMz；④minMz；⑤maxN；⑥minN；⑦maxN-Mz；⑧minN-Mz。验算结果如图5所示，图中符号以受压为正，受拉为负。

图5 各个工况下桥墩强度验算(节选)

得出结论：在E1地震作用下，桥墩强度满足相关规范规定要求。

2.4 E2地震作用下抗震验算

E2地震作用下，首先判定结构是否进入塑性阶段，表2为各个最不利轴力组合工况下塑性铰位置内力组合，并结合弯矩曲率分析，以等效屈服弯矩作为临界点，从而判断结构是否进入塑性阶段。

由表2可知，桥墩作为延性构件需要进行有效截面刚度折减，按表2中最不利数值取用，系数为0.23。

对于双柱墩，进行PUSHOVER分析，得出桥墩容许位移，如图6所示。当墩柱的任一塑性铰达到其最大容许转角或塑性铰区控制截面达到最大容许曲率时，墩顶纵梁的横桥向或顺桥向水平位移即为容许位移。

表2 各个工况下塑性铰位置内力组合

图6 E2地震作用下桥墩墩顶位移验算

根据图6内容可得出结论，在E2地震作用下，桥梁墩顶横桥向及顺桥向水平位移均小于容许位移。

2.5 能力保护构件验算

能力保护构件的验算主要包括墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度验算、桩基础截面抗弯强度验算、桥墩球形橡胶支座厚度及抗滑稳定性验算。

经计算，桥梁最高墩剪力设计值为1 750 kN，对应支座采用JQZ(Ⅲ)-15-GD支座水平承载力为15 000×0.225=3 375 kN>1 750 kN。支座满足要求。

图7 墩柱塑性铰纵桥向、横桥向斜截面抗剪强度

3 抗震构造设计

本联桥梁最不利墩高为8 m，塑性铰区域箍筋直径为12 mm及16 mm，全度箍筋间距为100 mm。加密长度大于墩柱截面边长；加密箍筋间距小于等于100 mm；箍筋直径大于等于10 mm。通过计算塑性铰区域最小体积配箍率为0.52%>0.4%(最小配箍率)，桥墩纵向配筋率0.6%<1.27%(根据项目图纸)<4%，满足抗震构造要求。

本桥梁设置了限位装置以控制梁端位移；桥梁采用了挡块以限制纵横向落梁；梁与桥台之间加装了橡胶垫。

4 结 论

(1)E1地震作用验算中，桥墩强度验算通过，均在弹性范围之内，符合《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)的相关规定。

(2)E2地震作用验算中，桥墩进入弹塑性状态，桥墩墩顶位移验算通过，符合《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)的相关规定。

(3)能力保护构件验算中，能力保护构件墩柱塑性铰区域斜截面抗剪强度验算、盖梁强度验算、桩基础强度验算、支座抗震验算均通过，符合《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)的相关规定。

(4)抗震构造设计中，桥墩箍筋构造、最小体积配箍率和纵向配筋率均符合《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)的相关规定；且桥墩螺旋箍筋必须采用对接焊，并伸入核心混凝土之内至少16.8 cm。

(5)抗震措施中，梁端安全距离及各片梁间横向联系符合《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ 166—2011)的相关规定；并建议设置限位装置来控制梁端位移。