城市匝道橋梁的抗震設計研究

牛植田

(中交第四公路工程局有限公司西安工程設計分公司，陜西 西安 710065)

地震的爆發(fā)往往具有偶然性和強破壞性，給人民生命財產(chǎn)帶來嚴重威脅。地震發(fā)生后，道路交通運輸作為生命補給線在保證物資運輸和緊急救援中起到非常重要的地位。而橋梁作為交通運輸中跨越山河、溝谷重要組成單元，一旦受損破壞，道路交通運輸線將直接被切斷。通過對內(nèi)蒙古和林格爾新區(qū)金盛快速路提升改造工程中平行匝道橋梁抗震設計分析，進行橋梁在E1和E2地震作用下的抗震驗算，以求進一步指導橋梁抗震設計，確保全線橋梁安全。

1 橋梁概況

內(nèi)蒙古和林格爾新區(qū)金盛快速路提升改造工程中平行匝道橋，匝道橋長205 m，橋面寬8.5 m，上部結構跨徑組合為(30+50+35)+3×30 m，第一聯(lián)采用鋼箱梁，鋼箱梁梁高2.3 m。第二聯(lián)采用裝配式預制混凝土連續(xù)箱梁結構，箱梁梁高1.6 m。下部結構橋墩采用獨柱墩，橋臺采用墻式臺，樁基采用4臺直徑為1.5 m的鉆孔灌注樁基礎。本橋平面位于直線上，橋面橫坡為單向1.5%。城市汽車設計荷載標準為城—A級。對本橋第一聯(lián)鋼箱梁進行抗震驗算。第一聯(lián)的橋型圖立面如圖1所示。

本平行匝道橋根據(jù)功能分上行平行匝道和下行平行匝道，均為整個高架橋中重要的組成部分，一旦在地震中遭到破壞，可能導致的生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟損失同樣非常巨大。因此，需要對匝道橋進行正確的抗震分析，確保抗震的安全性。因上下行平行匝道跨徑和結構形式相同，故本次驗算采用上行平行匝道橋進行抗震分析。

圖1 第一聯(lián)橋型圖

2 橋梁抗震設計思想及設防標準

2.1 橋梁抗震設計理論思想

抗震設計理論思想經(jīng)過各國長期學者的研究思考沉淀，主要分為以下3類。

(1)強度設計理論思想。這種是橋梁抗震設計最初的設防思想，設計中僅考慮了地震力對結構內(nèi)力的影響，體現(xiàn)了結構對強度的要求，而對結構的損傷卻無法有效控制。雖然也采用了一定的構造措施保證延性設計，但是局限性較大。

(2)位移設計理論思想。這種是直接以控制目標位移作為抗震設計的參數(shù)，使結構本身能夠抵抗地震時的位移，從而在地震作用下，控制結構的位移。

(3)性能設計理論思想。這種是我國現(xiàn)行規(guī)范采用基本抗震設計思想?！冻鞘袠蛄嚎拐鹪O計規(guī)范》(CJJ 166-2011)中提出三水平抗震設防思想。在橋梁結構設計壽命周期內(nèi)，發(fā)生破壞性地震可能性不是很大，完全都按照罕遇強地震進行結構設計顯然不經(jīng)濟。我們既希望橋梁在地震作用下的破壞程度安全可靠，又希望結構設計經(jīng)濟合理，尋找二者之間的優(yōu)化平衡。

本橋梁按照規(guī)范方法，采用性能設計理論思想，提出性能目標，并進行抗震設計。

2.2 橋梁抗震設防標準

在《城市橋梁抗震設計規(guī)范》(CJJ 166-2011)中，根據(jù)橋梁在交通網(wǎng)中的重要性將橋梁劃分為甲、乙、丙、丁四類，并采用兩級設防標準，對不同橋梁類別均要求響應的兩級設防標準。其中第一級為彈性抗震設防，即E1地震作用下的抗震設計，要求結構總體反映在彈性范圍，基本無損傷；第二級為延性抗震設防，即E2地震作用下的抗震設計，對發(fā)生罕遇地震時有適當?shù)难有該p傷，保證結構有足夠的延性。同時規(guī)范強調(diào)，對甲、乙、丙類橋梁抗震措施，均應提高一度設防。本橋地震烈度為8°，地震動峰值加速度為0.20 g，抗震設防等級為9級。

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》(CJJ 166-2011)，本匝道橋應為乙類橋梁，采用E1和E2地震作用進行抗震計算。具體抗震性能目標總結見表1所示。

表1 抗震性能目標

3 地震動參數(shù)

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》(CJJ 166-2011)，采用反應譜合成與其兼容的設計加速度時程曲線。E1和E2地震作用下，時程分析結果采用三組時程波中計算結果的最大值。地震加速度時程曲線如圖2～圖7所示。

圖2 水平加速度時程相位1曲線(E1地震作用)

圖3 水平加速度時程相位2曲線(E1地震作用)

圖4 水平加速度時程相位3曲線(E1地震作用)

圖5 水平加速度時程相位1曲線(E2地震作用)

圖6 水平加速度時程相位2曲線(E2地震作用)

圖7 水平加速度時程相位3曲線(E2地震作用)

4 結構動力模型與動力特性

4.1 線性動力模型

假定橋梁主要構件在地震作用下處于彈性工作范圍，忽略構件的非線形效應，建立線性動力模型。模型總體坐標系以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸。采用空間梁單元模擬主梁、橋墩、承臺和樁基。樁基與土的相互作用效應，采用土彈簧模擬，土彈簧的剛度采用m法計算，上部結構二期恒載等效為線質(zhì)量均勻加在主梁單元上，建立的線性動力模型如圖8所示。

圖8 線性動力模型

4.2 非線性動力模型

根據(jù)設計圖紙，本橋梁在連續(xù)墩處采用HDR高阻尼減隔震支座，在過渡墩處采用LNR(H)滑動型水平力分散型支座。這兩種支座均具有非線性特性，其通過高阻尼橡膠在水平方向上的大位移剪切變形及滯回耗能來吸收大量地震能量，以延長結構自振周期，改善橋梁地震作用下受力狀況。LNR(H)支座雙線性力學模型如圖9所示，HDR支座雙線性力學模型如圖10所示。

圖9 LNR(H)支座雙線性力學模型

圖10 HDR支座雙線性力學模型

4.3 結構動力特性

橋梁的結構動力特性是結構振動的基本特性，分析結構的動力特性是進行抗震性能分析的基礎。采用線性動力計算模型，進行結構動力特性分析，計算結果見表2所示。由表2可見，橋梁結構的基本周期為2.356 s。

表2 計算模型基本動力特性

5 地震反應分析及結果

5.1 橋墩受力分析

地震的各種破壞形式中橋墩的破壞所占比例很大。橋墩破壞的原因主要是抗震承載力和延性能力考慮不足導致。常見的橋墩破壞有彎曲破壞和剪切破壞。經(jīng)受力分析，橋墩在地震作用下，順橋向各墩柱的彎矩和剪力的最大值均出現(xiàn)在柱底位置，樁基最大彎矩和剪力均出現(xiàn)在樁基頂部附近位置；橫橋向各墩柱的彎矩及剪力的最大值出現(xiàn)在橋墩頂部和底部附近，樁基的最大彎矩和剪力均出現(xiàn)在樁基頂部附近。

5.2 抗震驗算結果

(1)E1地震作用結果分析

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》(CJJ 166-2011)的規(guī)定，在E1地震作用下，橋梁結構各構件應在彈性范圍內(nèi)工作。采用非線性時程地震反應分析方法，考慮LNR(H)支座摩擦的非線性效應及HDR高阻尼橡膠支座的非線性效應。在進行E1和E2地震下非線性時程反應分析時，采用三條地震動加速度輸入，取三條地震動加速度輸入計算出的最大值作為最終結果。因本橋第一聯(lián)0#橋墩接主線橋，因此本匝道橋僅需要計算1#～3#橋墩。

在E1地震作用下，分別輸入順橋向、橫橋向地震作用，各橋墩墩柱和樁基控制截面驗算結果如表3～圖5所示，表中軸力壓為正，拉為負。

表3 橋墩墩柱截面抗震驗算(順橋向)

表4 橋墩墩柱截面抗震驗算(橫橋向)

表5 橋墩樁基截面抗震驗算

通過上述計算結果可知，在E1地震作用下，橋墩各個關鍵截面均在彈性狀態(tài)，能夠滿足抗震性能目標，滿足規(guī)范要求。

(2)E2地震作用結果分析

根據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》(CJJ 166-2011)規(guī)定，在E2地震作用下，橋墩墩柱可進入塑性，但墩柱塑性鉸區(qū)的塑性轉角必須滿足規(guī)范要求，同時塑性鉸區(qū)截面抗剪強度應滿足要求，樁基作為能力保護構件在彈性范圍內(nèi)工作。

在E2地震作用下，分別輸入順橋向、橫橋向地震作用，各橋墩墩柱和樁基控制截面驗算結果如下表6～表8所示，表中軸力壓為正，拉為負。

表6 橋墩墩柱截面抗震驗算(順橋向)

表7 橋墩墩柱截面抗震驗算(橫橋向)

表8 橋墩樁基截面抗震驗算

通過上述計算結果可知，在E2地震作用下，各關鍵截面均在彈性狀態(tài)，能滿足抗震性能目標。在E2地震作用下，支座位移結果計算如表9所示，滿足HDR容許位移的要求。

表9 橋墩支座位移計算

6 結 論

通過本項目平行匝道橋第一聯(lián)建立空間動力計算模型，采用相應的抗震計算方法進行了抗震計算，得到了相應的地震響應，同時根據(jù)設計圖紙和規(guī)范，對本橋進行了兩種設防水準地震輸入的抗震驗算，得到主要結論如下：

(1)E1地震作用下在順橋向及橫橋向地震輸入下，所有墩柱關鍵截面及樁基礎最不利單樁截面地震彎矩均小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，抗震計算結果均滿足規(guī)范要求。

(2)E2地震作用下在順橋向及橫橋向地震輸入下，所有墩柱關鍵截面及樁基礎最不利單樁截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，抗震計算結果滿足規(guī)范要求。

(3)E2地震作用下支座位移計算結果均滿足支座性能要求。

(4)在橋梁抗震設計的同時，應采取一系列必要的抗震措施，可以有效地減輕結構所承受的地震力，有利于結構體系安全。