大型城市立交地震響應(yīng)分析

■宋 丹，田小紅 ■.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 70068;.西安理工大學(xué)，陜西 西安 70054

隨我國城鎮(zhèn)化發(fā)展，城市交通問題愈來愈突出，解決有效手段是城市立交建設(shè)。立交橋梁作為連接交通運(yùn)輸樞紐，是生命線工程，一旦遭受地震破壞，不但導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失，也為震后救援以及重建工作帶來不便而導(dǎo)致二次損失。因此立交橋梁抗震研究有十分重要。

目前城市橋梁抗震設(shè)計(jì)已從彈性設(shè)計(jì)階段向延性設(shè)計(jì)方向發(fā)展，而規(guī)范對(duì)規(guī)則橋梁給出簡化分析方法，但對(duì)不規(guī)則橋梁并沒有給出具體規(guī)定。本文從實(shí)際工程出發(fā)，以某工程為例，詳細(xì)介紹城市立交異形橋梁延性分析過程，對(duì)不規(guī)則橋梁抗震性能進(jìn)行分析，可為類似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

1 概述

某大型立交橋?yàn)槿龑硬糠只ネㄊ搅⒔?，由主線橋和三個(gè)匝道橋組成，其主線橋均為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，跨徑25～30 米左右，梁高1.6m;橋面寬度25.5～32.5 米，采用雙箱多室直腹板箱梁。匝道橋均采用20 米左右鋼筋砼結(jié)構(gòu)，梁高1.4 米，橋面寬度8 米。立交橋下部橋墩采用直徑1.5m 圓柱墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5 米。計(jì)算選取其具有代表性東西主線橋第四聯(lián)進(jìn)行抗震計(jì)算，橋墩高度5～8.3 米。第四聯(lián)橋梁平面布置和橫斷面布置詳見圖1 和圖2。

圖1 橋梁平面布置圖

圖2 橋梁橫斷面布置圖

2 抗震設(shè)防水準(zhǔn)及性能目標(biāo)

據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ166-2011)，城市橋梁采用兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，據(jù)規(guī)范，本橋?yàn)橐翌悩蛄?，第一階段(E1 地震作用)抗震設(shè)計(jì)，采用彈性抗震設(shè)計(jì);第二階段(E2 地震作用)抗震設(shè)計(jì)，采用延性抗震設(shè)計(jì)方法，并引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則。

3 計(jì)算方法和有限元模型

計(jì)算采用MIDAS Civil 空間有限元程序建立第四聯(lián)模型，并考慮相鄰兩聯(lián)對(duì)第四聯(lián)影響。建模原則是保證正確反映橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、支座和地基剛度、質(zhì)量分布及阻尼特。板式橡膠支座采用彈性連接來模擬主梁和橋墩的相互作用，基礎(chǔ)采用彈性地基模擬樁基礎(chǔ)。計(jì)算方法E1 作用采用多振型反應(yīng)譜法，E2 作用采用彈塑性時(shí)程分析法。

圖3 計(jì)算模型

4 地震動(dòng)輸入

該橋位處地震動(dòng)抗震設(shè)防烈度為8 度，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值A(chǔ)=0.2g，場地類別為Ⅲ類，特征周期:Tg=0.45，本計(jì)算采用雙指標(biāo)控制和相關(guān)系數(shù)較小原則，選取選取1940，El Centro Site，270 Deg、1952，Taft Lincoln School，339 Deg、1994，Northridge，Santa Monica，City Hall Grounds，0 Deg 三條實(shí)錄波作為時(shí)程分析用地震波。

圖4 El Centro 波

圖5 Taft 波

圖6 Northridge 波

5 地震反應(yīng)分析

5.1 E1 作用計(jì)算

E1 作用計(jì)算采用多振型反應(yīng)譜法，在E1 地震作用下，橋墩作用效應(yīng)均小于設(shè)計(jì)承載能力，滿足規(guī)范規(guī)定的在E1 地震作用結(jié)構(gòu)不受損壞要求。具體計(jì)算結(jié)果因篇幅限制，不再列出。

5.2 E2 順橋向地震作用

圖7 11#東側(cè)橋墩墩底截面彎矩曲率滯回曲線

在E2 地震作用下，墩柱允許進(jìn)入塑性狀態(tài)，但要求有一定變形能力。本橋在E2 順橋向地震作鉸區(qū)塑性變形和容許變形比較用下，除11a#墩和12a#墩未進(jìn)入屈服外，其余墩均進(jìn)入屈服狀態(tài)，11#東側(cè)和西側(cè)墩屈服現(xiàn)象明顯，塑性變形相對(duì)較大，但仍遠(yuǎn)小于其容許塑性變形。各屈服墩柱的塑性變形和其允許變形見表1(表中列出三個(gè)地震波計(jì)算最大值)。

表1 順橋向地震作用墩柱潛在塑性

圖8 11#西側(cè)橋墩墩底截面彎矩曲率滯回曲線

5.3 E2 橫橋向地震作用

在橫橋向地震作用下，大部分橋墩進(jìn)入屈服，個(gè)別橋墩塑性變形已有一定程度，但仍未達(dá)到允許值，結(jié)構(gòu)仍能實(shí)現(xiàn)大震不倒。各墩彎距和塑性變形如表2 所示。

圖9 12a#橋墩墩底截面彎矩曲率滯回曲線

表2 橫橋向地震作用墩柱潛在塑性鉸區(qū)塑性變形和容許變形比較

5.4 橋墩抗剪驗(yàn)算

=0.85x (0.0023x4.837x15393+3.14159/2x0.1x4.02x150x280/10)=2400kN

E2 地震作用下各橋墩最大計(jì)算剪力為1420kN，小于抗剪承載能力，抗剪承載力滿足要求。

6 結(jié)論

綜上，針對(duì)本工程城市立交橋進(jìn)行彈塑性抗震計(jì)算，可知在順橋向地震作用下墩底受力最大，為塑性鉸容易出現(xiàn)區(qū)域;橫橋向在連接墩處，因蓋梁門式效應(yīng)，墩頂和墩底均為出現(xiàn)塑性鉸區(qū)域。軟件采用纖維模型進(jìn)行塑性鉸仿真，可比較真實(shí)、直觀體現(xiàn)地震力作用下墩柱反應(yīng)。墩柱通過延性設(shè)計(jì)來降低剛度、延長周期，抵抗地震力，計(jì)算結(jié)果表明采用該方法構(gòu)件均能滿足抗震要求。

［1］謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］M.J.N.普瑞斯特雷等著，袁萬成等譯.橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［3］聶利英.橋梁抗震非線性分析理論研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，2002.