五源河大橋抗震能力設(shè)計研究

錢潛

【摘要】本文主要對五源河大橋抗震設(shè)計的重要性、橋梁抗震的主要設(shè)計方法等方面進(jìn)行了探索。

【關(guān)鍵詞】橋梁；抗震能力；抗震設(shè)計

五源河大橋作為海口市綠色長廊二期工程的主體工程，對?？诮煌ǜ纳凭哂兄匾饔?。本文根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》對五源河大橋進(jìn)行抗震分析及性能評價，在此基礎(chǔ)上提出改善抗震設(shè)計的措施，以指導(dǎo)該橋的抗震設(shè)計。

1.工程概況

?？谑芯G色長廊二期工程北起西海岸濱海大道，南至南海大道，內(nèi)側(cè)為雙向6車道，外側(cè)為非機(jī)動車道和人行道，全長5.37公里。五源河段道路起點(diǎn)樁號為K1+100，終點(diǎn)位于K1+800，全長700米，跨越五源河?？紤]到使用功能、與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)、建設(shè)養(yǎng)護(hù)成本以及工程造價，上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，滿堂支架施工。

五源河主橋跨徑布置為42.88m+60m+42.88m；跨中梁高1.8m，中支點(diǎn)處梁高3.5m，梁高變化采用二次拋物線。單幅橋面布置為：3m人行道+6m非機(jī)動車道+2m綠化帶 +12m車行道+0.5m防撞護(hù)欄+2.5m分隔帶。單幅橫斷面采用單箱五室形式，單幅寬26m，雙幅橋面全寬52m。河道與線路斜交角為135°，左右幅在線路縱向有錯位，斜橋正做，以適應(yīng)河道及流水方向。

2.地震動輸入

必須首先確定橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，得到橋梁在各級設(shè)防水準(zhǔn)下的地震重現(xiàn)期和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，然后結(jié)合橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，地質(zhì)特征等具體情況，即可得出地震動輸入的相關(guān)參數(shù)，從而最終獲得橋梁抗震分析的設(shè)計加速度反應(yīng)譜。

本文采用《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）中的E1、E2設(shè)計反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換成等效的人工地震動時程并同時選取修正過的天然地震波計算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并采用在E1、E2設(shè)計反應(yīng)譜下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形的限值作為等效時程分析驗算的限值。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008），選用阻尼比為0.05的水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜：

式中： ——特征周期（s）

——結(jié)構(gòu)自振周期（s）

——水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值

按照五源河大橋的工程地質(zhì)勘察說明，本場地的地震動峰值加速度為0.30g，對應(yīng)抗震設(shè)防烈度為8度，場地類別為III類，橋梁抗震設(shè)防類別B類，特征周期為0.45s。

3.動力計算有限元模型

采用MIDAS/CIVIL 2010建立全橋的空間桿系計算模型。上部結(jié)構(gòu)采用空間單主梁梁單元模型，支座采用相應(yīng)的支座單元模擬；下部結(jié)構(gòu)雙柱式橋墩均采用空間梁單元模擬，墩底及橋臺底均考慮“樁-土”相互作用，采用土彈簧進(jìn)行模擬，土彈簧剛度分別采用“m”法確定，并考慮沙土液化層的影響，其中動力計算時各土層的“m”值取靜力值的2.5倍。在墩底區(qū)域潛在塑性鉸區(qū)域設(shè)置非彈性鉸，采用纖維單元模型模擬。其中，混凝土采用Kent-Park本構(gòu)模型，普通鋼筋采用Menegotto-Pinto本構(gòu)模型。

4.抗震性能驗算

對于本橋確定的兩個概率水平的地震，綜合考慮工程造價、結(jié)構(gòu)遭遇的地震作用水平、緊急情況下維持交通能力的必要性以及結(jié)構(gòu)的耐久性和修復(fù)費(fèi)用等因素，來確定對應(yīng)地震水平下結(jié)構(gòu)的抗震性能目標(biāo)。

4.1墩底截面強(qiáng)度驗算

橋墩及變形驗算采用的作用效用組合為偶然組合，即永久作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)與地震作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)進(jìn)行組合，各種效應(yīng)的分項系數(shù)取1.0。

①抗彎強(qiáng)度驗算。鋼筋混凝土橋墩和樁截面的抗彎能力（強(qiáng)度）采用纖維單元法進(jìn)行的彎矩-曲率分析，得出圖4-1所示的彎矩-曲率曲線。

圖4 1等效彎矩的計算圖示

4.2抗剪強(qiáng)度驗算

根據(jù)《細(xì)則》7.3.4條規(guī)定，按下式驗算墩底截面的抗剪強(qiáng)度：

式中： ——剪力設(shè)計值；

——混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

——箍筋提供的抗剪能力；

——核心混凝土面積；

——同一截面箍筋的總面積；

——箍筋的間距；

——箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計值；

——沿計算方向墩柱的寬度；

——抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)。

恒載+縱向+豎向E2地震作用下橋墩底截面抗剪強(qiáng)度驗算：

根據(jù)抗彎強(qiáng)度結(jié)果，因橋墩在E2作用下處于彈性工作范圍內(nèi)，因此Vc0取E2時程分析的結(jié)果。

滿足能力保護(hù)構(gòu)件的要求。

5.E2地震作用下墩柱和系梁變形驗算

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》，在地震E2作用下須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形驗算。結(jié)構(gòu)變形驗算為塑性鉸轉(zhuǎn)動能力驗算或墩頂位移驗算。由前面的計算結(jié)果可知，在E2地震作用下， 墩柱和各墩系梁出現(xiàn)塑性鉸， 因此， 這里須對各塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力進(jìn)行驗算。

6.抗震性能評價

根據(jù)五源河大橋地震反應(yīng)分析和驗算結(jié)果，在遭遇E1地震作用時，五源河大橋主體結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，滿足抗震設(shè)防目標(biāo)；在遭受E2地震作用時，五源河大橋主體結(jié)構(gòu)處于塑性工作狀態(tài)，1#， 2#， 5橋墩沿順橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力不滿足要求。此外，五源河大橋的結(jié)構(gòu)抗震措施和細(xì)部構(gòu)造措施也存在諸多不滿足要求的地方，如墩柱潛在塑性鉸區(qū)域未對箍筋進(jìn)行加密、箍筋形式不滿足要求、結(jié)點(diǎn)配箍率不夠等。需要針對上述不足對五源河大橋進(jìn)行改善設(shè)計，確保本橋能滿足相應(yīng)等級的抗震設(shè)防要求。

7.其他驗算

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》的要求，除上述驗算內(nèi)容外，橋梁抗震驗算還需進(jìn)行蓋梁抗彎與抗剪承載能力驗算、支座厚度及承載能力驗算、橋臺穩(wěn)定性驗算、結(jié)點(diǎn)構(gòu)造措施驗算等，具體驗算參照《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》執(zhí)行。

結(jié)語

按照《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTG/TB02-01-2008）的要求 ，本文五源河大橋進(jìn)行了抗震分析和性能評價，限于篇幅，僅以1號墩和2號墩系梁為例進(jìn)行分析和驗算。 通過綜合評價全橋的抗震性能，指出本橋的抗震薄弱環(huán)節(jié)，以指導(dǎo)本橋進(jìn)行改善抗震設(shè)計。 另外，結(jié)構(gòu)抗震措施和細(xì)部構(gòu)造措施對于橋梁抗震起著極其重要的作用，在一定程度上甚至比結(jié)構(gòu)抗震分析更為重要，在進(jìn)行橋梁抗震設(shè)計時尤其應(yīng)該引起重視。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬宏旺，呂西林.建筑結(jié)構(gòu)基于性能抗震設(shè)計的幾個問題[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報，2002（30）：1429-1434.

[2] 張志強(qiáng).延性與抗震設(shè)計[J].山西建筑，2008，34（12）：93-94.

[3] 曲慧，李振蘭.基于性能的橋梁抗震設(shè)計方法[J].山西建筑，2009年5月：295.