中小跨徑橋梁抗震計(jì)算

董 宏 昌

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

中小跨徑橋梁抗震計(jì)算

董 宏 昌

(中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075)

以某實(shí)際工程為例，通過闡述橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)防目標(biāo)，對(duì)中小跨徑橋梁進(jìn)行了抗震分析與計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論，對(duì)同類橋梁抗震設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。

橋梁，抗震計(jì)算，計(jì)算模型，地震力

1 概況

1.1 工程概況

某高速公路全線布設(shè)大中橋共計(jì)18座，橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用跨徑20 m～30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩采用雙柱式橋墩，橋臺(tái)采用重力式U臺(tái)、柱式臺(tái)或肋板式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。項(xiàng)目區(qū)地震烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度為0.1g。

選取其中一座橋梁進(jìn)行抗震計(jì)算，上部結(jié)構(gòu)采用6孔30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)箱梁，3孔一聯(lián)，全橋共分2聯(lián)；下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，0號(hào)橋臺(tái)采用U臺(tái)、擴(kuò)大基礎(chǔ)，6號(hào)橋臺(tái)采用臺(tái)階式橋臺(tái)，置于基巖上。全橋采用板式橡膠支座。半幅橋梁寬度為：0.5 m(防護(hù)欄)+11.15 m(橋面凈寬)+0.5 m(防護(hù)欄)。橋型布置圖見圖1。

1.2 橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)速度：80 km/h。

荷載等級(jí)：公路—Ⅰ級(jí)。

橋梁寬度：整體式路基寬24.5 m，分上下行兩幅，單幅橋梁寬

度為12.25 m。

橋面鋪裝：采用10 cm厚瀝青混凝土+8 cm厚整體化混凝土。

抗震設(shè)防類別：B類，即抗震重要性系數(shù)E1地震下取0.5，E2地震下取1.7。

地震動(dòng)參數(shù)：設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度取0.1g；場(chǎng)地類別Ⅱ類，反應(yīng)譜特征周期0.45 s。

抗震設(shè)防措施等級(jí)：8度。

1.3 抗震設(shè)防目標(biāo)

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，橋梁抗震設(shè)防目標(biāo)：

1)E1地震作用下一般不受損傷，不需修復(fù)即可繼續(xù)使用；

2)E2地震下不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固后可供維持應(yīng)急交通使用。

2 抗震計(jì)算

2.1 抗震分析

中小跨徑預(yù)制裝配式橋梁的震害主要表現(xiàn)在橋梁下部結(jié)構(gòu)，包括橋墩、橋臺(tái)、基礎(chǔ)、支座和支擋結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)移位、落梁等震害也是源于下部結(jié)構(gòu)的震害。所以，中小跨徑橋梁抗震計(jì)算主要是下部結(jié)構(gòu)的計(jì)算。

在地震力作用下，通常橋臺(tái)的破壞是由于上部結(jié)構(gòu)在橫向水平力和縱向水平力作用下導(dǎo)致?lián)鯄K破壞和背墻破壞。一般情況下橋臺(tái)剛度相對(duì)橋墩大很多，橋臺(tái)承擔(dān)的水平地震力比橋墩大。尤其對(duì)于單跨橋和跨數(shù)較少的橋梁，地震中橋臺(tái)對(duì)梁體的約束作用更明顯。在通常情況下橋臺(tái)損傷后的臨時(shí)修復(fù)和搶修相對(duì)也比較容易，因此允許橋臺(tái)背墻、擋塊、錨栓在較大地震力作用下失效，橋臺(tái)退出工作，要求橋墩能承受全部地震力以及適應(yīng)地震變形。因此中小跨徑橋梁橋臺(tái)不是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是橋墩。

墩柱設(shè)計(jì)是中小跨徑橋梁抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因?yàn)樗顷P(guān)鍵性的抗震單元，對(duì)橋梁安全影響重大。墩柱設(shè)計(jì)主要考慮兩方面：第一是正截面強(qiáng)度，與此相關(guān)的主要是墩柱截面尺寸和縱向鋼筋。第二是塑性鉸延性，與此相關(guān)的主要是箍筋。

在地震過程中，如果基礎(chǔ)發(fā)生損傷，往往難以發(fā)現(xiàn)并且維修困難。因此要求采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則來進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算和設(shè)計(jì)，以保證基礎(chǔ)在達(dá)到它預(yù)期的強(qiáng)度之前，墩柱已超過其彈性反應(yīng)范圍。

通過以上分析，中小跨徑橋梁抗震計(jì)算主要包括以下內(nèi)容：

1)E1地震作用下橋墩抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算。

2)E2地震作用下墩頂位移驗(yàn)算。

3)E2地震作用下能力保護(hù)構(gòu)件驗(yàn)算。

2.2 建立計(jì)算模型

采用MIDAS/CIVIL橋梁專用模塊空間有限元軟件對(duì)該橋進(jìn)行抗震計(jì)算，由于橋梁為上下行雙幅橋，上下幅橋梁對(duì)稱，結(jié)構(gòu)在中央分隔帶處斷開，因此只需計(jì)算其中一幅橋梁。

模型建立時(shí)考慮樁側(cè)土體作用，通過試算比較，采用在樁頂下3倍樁徑處樁底固結(jié)，整體模型剛度能夠有效模擬樁土共同作用后結(jié)構(gòu)的剛度。

按照該橋梁實(shí)際設(shè)計(jì)中的各梁段塊件的劃分進(jìn)行橋梁有限單元?jiǎng)澐?，分別考慮不同的上下部構(gòu)造尺寸和縱向高差等因素建立整體計(jì)算模型，建模依照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》6.3條的規(guī)定進(jìn)行，考慮了基礎(chǔ)剛度、支座剛度和P—Δ效應(yīng)，順橋向和橫橋向地震作用分別考慮。

計(jì)算模型見圖2。

2.3 計(jì)算方法

本橋抗震設(shè)防類別為B類，屬于規(guī)則橋梁，在E1和E2地震作用下均采用多振型反應(yīng)譜法計(jì)算；取前40階振型，各模型在順橋向和橫橋向的累計(jì)振型質(zhì)量均超過90%；振型組合采用CQC法。

建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類。地震基本烈度為7度，地震動(dòng)峰值加速度0.10g。地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為Tg=0.45 s。

水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值：Smax=2.25CiCsCdA。

其中，Ci為抗震重要性系數(shù)：E1地震作用為0.5，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)

地震動(dòng)重現(xiàn)期為100年，E2地震作用為1.7，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)重現(xiàn)期為2 000年；場(chǎng)地系數(shù)Cs=1.0；結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.05，阻尼調(diào)整系數(shù)Cd=1.0；水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值A(chǔ)=0.1g。

2.4 計(jì)算結(jié)果

1)墩柱計(jì)算。

墩柱計(jì)算是根據(jù)E1地震下的內(nèi)力驗(yàn)算正截面強(qiáng)度，根據(jù)E2地震下的位移或變形驗(yàn)算潛在塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，表現(xiàn)為墩頂位移，抗剪強(qiáng)度根據(jù)能力保護(hù)原則計(jì)算。

經(jīng)計(jì)算E1地震不控制設(shè)計(jì)，各項(xiàng)結(jié)構(gòu)受力性能均滿足規(guī)范要求。橋梁下部主要為E2地震作用下控制，因此僅列出E2地震作用組合計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

表1 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

表2 位移計(jì)算結(jié)果

2)基礎(chǔ)計(jì)算。

采用能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則進(jìn)行基礎(chǔ)計(jì)算，根據(jù)樁基的抗彎能力驗(yàn)算強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

3)通過計(jì)算橋梁滿足抗震要求，能達(dá)到抗震設(shè)防目標(biāo)。

[1] JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

Seismic calculation and small-medium span bridge

DONG Hong-chang

(ChinaTrafficTongliConstructionCo.,Ltd,Xi’an710075,China)

Taking the actual engineering as an example, through describes the bridge design criteria and fortification target, the article carries out seismic analysis and calculation of the small-medium span bridge, and discusses the calculation results, which has certain guiding meaning for similar bridge seismic design.

bridge, seismic calculation, calculation model, seismic force

1009-6825(2014)11-0164-02

2014-01-07

董宏昌(1968- )，男，高級(jí)工程師

U442.55

A