簡支變連續(xù)小箱梁橋抗震性能分析

郭 相 利

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引言

2008年5月發(fā)生在四川的“5·12大地震”，震級達(dá)到了8.0級。災(zāi)區(qū)橋梁受損嚴(yán)重，以著名的百花大橋?yàn)槔?，大橋位于重?zāi)區(qū)映秀通往外界唯一道路的咽喉位置，在地震中受到嚴(yán)重?fù)p傷，部分橋段甚至發(fā)生了整體垮塌的嚴(yán)重災(zāi)害，而垮塌的橋梁在短時(shí)間內(nèi)又無法修復(fù)，導(dǎo)致通往映秀唯一的道路被切斷，給抗震救災(zāi)工作造成了難以挽回的損失。

汶川地震前，橋梁抗震規(guī)范已實(shí)施多年，許多方面相比國際上的先進(jìn)規(guī)范有了明顯的差距。

汶川地震中眾多橋梁的慘烈破壞，讓工程界意識到我們在抗震設(shè)計(jì)方法、抗震理念方面的落后，地震發(fā)生后不足四個(gè)月，JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則即宣告實(shí)施，新規(guī)范充分總結(jié)了國內(nèi)外先進(jìn)科研成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增加延性設(shè)計(jì)這一先進(jìn)理念，在抗震理念和方法上實(shí)現(xiàn)了巨大的提高。

1 項(xiàng)目概況

本工程跨線橋所在道路為上海西部南北向貫通的干道，其在規(guī)劃定位上屬重要省道，為設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h的二級公路。

跨線橋主橋上跨上海G1501繞城高速公路，跨線橋引橋部分長度約為2 km，引橋?yàn)橄群喼Ш筮B續(xù)小箱梁結(jié)構(gòu)。引橋抗震計(jì)算選取墩高最高且最具代表性的4×30 m一聯(lián)橋進(jìn)行計(jì)算，橋梁處于直線段上，正交布置，見圖1。

引橋?yàn)樽笥覍ΨQ的完全獨(dú)立兩幅橋，兩幅橋之間設(shè)置50 cm的空帶，每幅橋橋面寬度均為13 m，主梁與蓋梁之間設(shè)置板式橡膠支座。蓋梁為普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋墩立柱截面為帶圓弧形倒角的正方形，承臺下樁基為兩排直徑為80 cm的鉆孔灌注樁，見圖2。

2 空間分析模型和動(dòng)力特性

橋梁動(dòng)力模型和動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問題的基礎(chǔ)，為了計(jì)算在地震作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，必須首先計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性[1]。采用成熟的橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil 2015(V8.3.2)對本橋進(jìn)行有限元分析，在模型承臺底部施加彈性支撐以模擬樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)剛度根據(jù)“m”法計(jì)算。考慮到與相鄰引橋動(dòng)力特性的相互影響，在連接墩上作用相鄰聯(lián)的質(zhì)量模擬相鄰聯(lián)主梁反力，以模擬地震效應(yīng)，見圖3。

2.1 板式橡膠支座模擬

引橋支座選取簡支變連續(xù)小箱梁橋較為常用的橡膠支座，中墩和邊墩根據(jù)支反力大小選取不同的型號，其中中墩支座為GJZ400×500，邊墩支座為GYZ400，支座厚度均為99 mm。每個(gè)支座剛度計(jì)算結(jié)果如表1，表2所示。

2.2 反應(yīng)譜和地震波

本地區(qū)地震設(shè)防烈度為7度；場地類型為Ⅳ類；地震動(dòng)峰值加速度0.1g；橋抗震設(shè)防類別為C類；地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.40 s；E1地震抗震重要性系數(shù)為0.34，E2地震為1.0，見圖4，圖5。

表1 GJZ400×500×99支座剛度計(jì)算

表2 GYZ400×99支座剛度計(jì)算

本橋?yàn)橐?guī)則橋梁，且橋位不處于地震斷裂附近，根據(jù)規(guī)范，抗震計(jì)算時(shí)可只考慮水平向地震作用，不考慮豎向地震作用。

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

本橋結(jié)構(gòu)自振周期、振型特征如表3所示。

表3 橋梁動(dòng)力特性表

本橋共進(jìn)行了前50階振型分析，累計(jì)振型參與質(zhì)量超過99%，滿足規(guī)范不小于90%的要求。

3 E1地震抗震驗(yàn)算

3.1 墩柱驗(yàn)算

在本橋有限元模型中同時(shí)輸入順橋向和橫橋向E1地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜，以考察橋梁結(jié)構(gòu)E1地震作用下的性能。橋墩立柱與承臺相接處截面承受地震作用下橋墩結(jié)構(gòu)的最大彎矩，其截面驗(yàn)算情況如表4所示。

表4 E1地震下反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)算，橋墩立柱全截面均為彈性狀態(tài)，符合規(guī)范關(guān)于強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求。

3.2 樁基礎(chǔ)驗(yàn)算

樁基礎(chǔ)采用“m”法計(jì)算，樁基反力如表5所示。

表5 地震E1作用下樁基反力

同時(shí)考慮橋梁樁基所受縱橫向地震作用，角樁最大反力為2 122 kN，小于每根樁的豎向承載力2 722 kN，鉆孔灌注樁豎向承載力滿足要求。角樁的最大樁身彎矩為163 kN·m，經(jīng)驗(yàn)算，樁基截面處于彈性狀態(tài)，滿足規(guī)范要求。

4 E2地震抗震驗(yàn)算

在E2地震工況下，橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向各截面結(jié)構(gòu)內(nèi)力并未超過結(jié)構(gòu)抗力，橋墩立柱各截面均保持彈性。縱橋向內(nèi)力較大，橋墩立柱底部截面已進(jìn)入塑性狀態(tài)，需對橋梁墩頂截面位移等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)算。

4.1 墩柱變形驗(yàn)算

在E2地震作用下，橋墩立柱底面順橋向最大彎矩為4 074 kN·m，大于縱橋向立柱屈服彎矩3 815 kN·m，立柱底面已部分進(jìn)入塑性，需對結(jié)構(gòu)縱橋向結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行折減，并對橋墩立柱縱橋向變形進(jìn)行驗(yàn)算。

表6 E2地震作用下墩頂縱橋向位移

由表6可見，在E2地震作用下，縱橋向墩頂位移為0.071 m，小于容許位移0.349 m，立柱變形能力可滿足規(guī)范規(guī)定。

4.2 墩柱抗剪能力驗(yàn)算

橋墩立柱的剪切破壞屬于脆性破壞，破壞發(fā)生時(shí)無明顯變形且迅速，極易造成結(jié)構(gòu)整體垮塌，造成嚴(yán)重的災(zāi)害。規(guī)范要求，墩柱抗剪應(yīng)按照能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)，以避免發(fā)生脆性的剪切破壞。

表7 墩柱塑性鉸斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算 kN

由表7可知，墩柱底部塑性鉸區(qū)域剪力設(shè)計(jì)值小于截面抗剪承載力，截面抗剪能力滿足規(guī)范要求。

4.3 橋墩蓋梁驗(yàn)算

蓋梁是支撐上部小箱梁的主要構(gòu)件，蓋梁一旦發(fā)生破壞將會引起上部結(jié)構(gòu)垮塌等嚴(yán)重的災(zāi)害，根據(jù)規(guī)范要求，蓋梁應(yīng)按照能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)。

由表8可知，橋墩蓋梁各截面均處于彈性，結(jié)構(gòu)抗力滿足要求，蓋梁在E2地震作用下不發(fā)生損傷，可保證上下部結(jié)構(gòu)之間傳力順暢。

表8 橋墩蓋梁抗彎、抗剪設(shè)計(jì)驗(yàn)算

4.4 橋梁支座驗(yàn)算

支座將主梁、附屬構(gòu)造、汽車荷載等產(chǎn)生的豎向作用傳遞給蓋梁、立柱和基礎(chǔ)，并適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形，是保證橋梁結(jié)構(gòu)成立的基本部件，地震工況下支座破壞極易造成落梁等嚴(yán)重災(zāi)害，見表9。

表9 E2地震下橡膠支座厚度驗(yàn)算 m

根據(jù)計(jì)算，支座各項(xiàng)性能可保證在地震作用下不發(fā)生破壞并保持穩(wěn)定，不發(fā)生滑動(dòng)。

4.5 樁基礎(chǔ)驗(yàn)算

由于橋梁樁基礎(chǔ)為隱蔽工程，地震中受到破壞后較難修復(fù)，根據(jù)規(guī)范，橋梁樁基礎(chǔ)按照能力保護(hù)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，樁基驗(yàn)算如表10所示。

表10 地震E2作用下樁基反力

本橋樁基持力層為細(xì)砂，性狀較好，根據(jù)規(guī)范，E2地震下每根樁樁基豎向承載力可提高1.3倍，達(dá)到3 538 kN，大于角樁最大反力為2 779 kN，角樁的最大樁身彎矩為245 kN·m，經(jīng)驗(yàn)算，樁基截面尚處于彈性，可滿足E2地震作用下不發(fā)生損傷的要求。

5 結(jié)語

本文以上海地區(qū)某跨線橋引橋?yàn)槔?，采用多振型反?yīng)譜法對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的抗震分析驗(yàn)算。通過分析可知，橋梁結(jié)構(gòu)在E1,E2地震下均具有良好的抗震性能，可滿足規(guī)范對于本橋的抗震設(shè)防目標(biāo)要求。

本文所述橋梁橋跨較多，且結(jié)構(gòu)類型相同，通過對典型橋跨的抗震分析，可使設(shè)計(jì)人員在保證橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的前提下，進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)水平，優(yōu)化橋梁總體布置及各構(gòu)件截面尺寸，可減少工程浪費(fèi)，提高項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 范立礎(chǔ),卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社，2001.