某高速公路變高連續(xù)梁橋抗震性能分析

沈 敏 吳徐華

中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410014

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008，以下簡(jiǎn)稱《抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》），高速公路上的橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別絕大部分屬于規(guī)則中的B類橋梁，因此，反應(yīng)譜法是公路橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中最為常用的方法。本文以某高速公路50m+90m+50m變高連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于RM Bridge有限元分析軟件建立動(dòng)力分析模型分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，同時(shí)，采用反應(yīng)譜方法研究橋墩及樁基在E1、E2地震作用下的反應(yīng)，以期為同類橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某高速公路大橋全長(zhǎng)756.4m，其中主橋跨越地方水系，其上部結(jié)構(gòu)采用50m+90m+50m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，左右分幅，單幅橋?qū)?6.25m，主墩墩身采用矩形實(shí)體墩，截面尺寸為8.75m×3.0m（橫橋向×順橋向），墩柱高度約為5.4m，基礎(chǔ)采用承臺(tái)下接群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)平面尺寸為13.2m×8.2m（橫橋向×順橋向），厚3.5m，群樁基礎(chǔ)由6根D200鉆孔灌注樁組成；過(guò)渡墩為蓋梁下接圓柱式墩，墩柱直徑為D220，基礎(chǔ)為啞鈴型承臺(tái)下接群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)厚2.5m，群樁基礎(chǔ)由4根D160鉆孔灌注樁組成。

主橋4#墩采用GPZ 27.5GD及GPZ 27.5SX盆式橡膠支座；5#墩采用GPZ27.5SX及GPZ 27.5DX盆式橡膠支座；3#、6#過(guò)渡墩采用GPZ 4.0DX及GPZ 4.0SX盆式橡膠支座。

2 性能目標(biāo)與驗(yàn)算原則

根據(jù)《橋址區(qū)工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》中：對(duì)應(yīng)中震，橋址區(qū)50年超越概率10%時(shí)，地震動(dòng)峰值加速度為69.8gal（約0.07g）；對(duì)應(yīng)大震，橋址區(qū)50年超越概率2.5%時(shí)，地震動(dòng)峰值加速度為102.6gal（約0.10g）。根據(jù)《抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，本橋抗震設(shè)防類別為B類，抗震設(shè)防烈度介于6～7度之間，安全起見(jiàn)，本橋采用E1地震作用、E2地震作用兩水平設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)。本橋具體抗震設(shè)防目標(biāo)為：（1）E1地震作用下，主梁、橋墩、樁基礎(chǔ)完好無(wú)損，橋墩、樁基礎(chǔ)處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算滿足要求；（2）E2地震作用下，橋墩等結(jié)構(gòu)構(gòu)件不需修復(fù)或簡(jiǎn)單修復(fù)后可繼續(xù)使用，橋墩抗彎承載力滿足要求，橋墩抗剪和樁基按能力保護(hù)構(gòu)件控制。反應(yīng)譜分析法采用的相應(yīng)E1地震作用和E2地震作用下的水平地震加速度反應(yīng)譜如圖1、圖2所示。

圖1 E1地震作用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

圖2 E2地震作用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

3 分析模型及分析方法

為準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，本文基于RM Bridge軟件建立三維空間有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?。支座邊界條件依據(jù)實(shí)際情況采用連接單元模擬，樁基與樁側(cè)土的相互作用采用土彈簧模擬，土彈簧剛度按m計(jì)算。有限元計(jì)算模型總體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閄，橫橋向?yàn)閆，豎向?yàn)閅。主梁、橋墩采用梁?jiǎn)卧M，二期恒載作為附加質(zhì)量，所有質(zhì)量均采用集中質(zhì)量矩陣模擬。全橋動(dòng)力分析模型如圖3所示。

圖3 全橋動(dòng)力分析模型

采用子空間迭代法，可計(jì)算得到該橋的無(wú)阻尼自由振動(dòng)特性。提取前5階自振頻率如表1所示，一階振動(dòng)模態(tài)如圖4所示。

表1 前5階自震頻率及震型特征表

圖4 第一階振型圖

根據(jù)《抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，本橋按多振型反應(yīng)譜法分別進(jìn)行E1、E2地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算。振型組合時(shí)采用CQC法，取前150階振型計(jì)算，3個(gè)方向的振型參與質(zhì)量均達(dá)到99%。

4 E1地震作用分析結(jié)果

對(duì)動(dòng)力分析模型分別進(jìn)行E1順橋向、橫橋向地震作用分析，求出各控制截面的內(nèi)力并進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算，正截面驗(yàn)算取過(guò)渡墩墩頂和墩底截面、主墩墩底截面、樁基彎矩最大截面作為驗(yàn)算控制截面。正截面抗力采用彎矩曲率分析得到，對(duì)E1和E2地震材料強(qiáng)度分別采用設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)值。驗(yàn)算結(jié)果表明順、橫橋向E1地震作用下3～6#墩墩柱、樁基相關(guān)驗(yàn)算截面均處于彈性工作狀態(tài)，結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算滿足要求。

5 E2地震作用分析結(jié)果

對(duì)動(dòng)力分析模型分別進(jìn)行E2順橋向、橫橋向地震作用分析，求出各控制截面的內(nèi)力并進(jìn)行正截面抗彎承載力、抗剪承載力、支座水平位移及水平力驗(yàn)算。截面抗剪承載能力驗(yàn)算按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）執(zhí)行。相應(yīng)驗(yàn)算結(jié)果表明順、橫橋向E1地震作用下3～6#墩墩柱、樁基相關(guān)驗(yàn)算截面抗彎、抗剪承載力以及支座位移以及水平承載力均滿足要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于RM Bridge軟件建立了一座50m+90m+50m變高連續(xù)梁的動(dòng)力計(jì)算模型，分析了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，并采用反應(yīng)譜方法研究了結(jié)構(gòu)在E1、E2地震作用下的響應(yīng)，最終得出如下結(jié)論：

（1）E1地震作用：在縱橋向、橫橋向地震輸入作用組合下，過(guò)渡墩、主墩及樁基礎(chǔ)截面地震彎矩小于初始屈服彎矩，截面保持為完全彈性狀態(tài)。

（2）E2地震作用：在縱橋向、橫橋向地震輸入作用組合下，過(guò)渡墩、主墩及樁基礎(chǔ)截面地震彎矩小于等效屈服彎矩，截面保持為保持彈性狀態(tài)。過(guò)渡墩、主墩及樁基礎(chǔ)的抗剪強(qiáng)度滿足要求。主橋盆式支座在滑動(dòng)方向的地震位移小于容許位移，滿足要求。計(jì)入擋塊作用后，在固定方向的設(shè)計(jì)水平力小于容許水平力，滿足要求。