禾豐樞紐抗震分析

吳飛

摘 要：本文以禾豐樞紐互通區(qū)D匝道上預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁作為橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析對象，采用單自由度體系的簡化分析方法簡化模型，分析橋墩在地震沖擊作用下的損傷情況。通過抗震分析，得出以下研究結(jié)果：（1）該段橋墩在E2地震作用下不會遭到破壞;（2）橋墩墩底截面縱向鋼筋均處于受壓狀態(tài)，墩底截面保持在彈性狀態(tài)，墩底截面塑形轉(zhuǎn)角近似為0，橋墩變形滿足要求。

關(guān)鍵詞：混凝土現(xiàn)澆箱梁;單自由度體系;抗震分析

中圖分類號：U442.5+9 ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0136-03

橋梁結(jié)構(gòu)在全壽命周期內(nèi)可能遭受地震沖擊，影響橋梁的使用情況。對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析，能合理預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)的損傷情況。在橋梁結(jié)構(gòu)的延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一般選取墩柱為抗震單元，通過墩柱的非線性變形消耗地震能量，而其他部件屬于能力保護(hù)構(gòu)件。本文以禾豐樞紐互通區(qū)D匝道上預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁作為橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析對象，分析橋墩在地震沖擊作用下的損傷情況。

1禾豐樞紐項(xiàng)目概況

禾豐樞紐互通區(qū)DK0+568.558 D匝道橋上部結(jié)構(gòu)采用6*20m+4*25m+（25m+33m+31m+25m）+（25m+31m+33m+25m） 預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁柱臺、樁基礎(chǔ)，橋梁全長454米，墩柱最高15.4米。D匝道跨線橋匝道上跨廈蓉高速公路，且橋梁全長和墩高均為禾豐樞紐互通區(qū)橋梁之首，抗震計(jì)算時(shí)選取25m+33m+31m+25m聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁為分析對象。

2模型建立

橋梁結(jié)構(gòu)的延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，一般選取墩柱為抗震單元，通過墩柱的非線性變形消耗地震能量，而其他部件屬于能力保護(hù)構(gòu)件，按照規(guī)則橋梁的定義（單跨最大跨徑≤90m，墩高≤30m，單跨長細(xì)比大于2.5且小于10，跨數(shù)≤6，跨間最大跨長比≤1.5，軸壓比<0.3，跨間橋墩最大剛度比在4跨時(shí)不超過4，下部結(jié)構(gòu)為雙柱框架墩、地基條件較好），該橋?qū)儆谝?guī)則橋梁，規(guī)則橋梁地震反應(yīng)受一階振型主導(dǎo)，因此對于規(guī)則橋梁的地震反應(yīng)分析可以采用單自由度體系的簡化分析方法。具體建模時(shí)四跨主梁質(zhì)量堆聚在主梁質(zhì)心處。上部結(jié)構(gòu)一期恒載和二期恒載每延米質(zhì)量估算為27t/m，箱梁高2米。一聯(lián)橋梁中固定支座約束的橋墩承擔(dān)了全部上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量傳來的地震力，故模型建立時(shí)僅考慮固定支座下橋墩，橋墩采用彈塑性彈性梁柱單元，橋墩和上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量堆聚點(diǎn)采用剛性連接。墩底約束條件為固結(jié)。圓形橋墩直徑1.5m，as取為45mm，縱向鋼筋布置為20032，縱筋HRB400，箍筋HPB300，混凝土C30。計(jì)算模型如圖1所示，其中墩柱截面鋼筋和混凝土纖維劃分如圖2所示。

3抗震分析

3.1地震動輸入

禾豐樞紐屬于高速公路上大橋，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TB02-01—2008，以下簡稱《細(xì)則》），E2地震作用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)Ci=1.7（B類橋），場地系數(shù)Cs=1.0，阻尼系數(shù)Cd=1.0，E2地震（大震）非線性時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程曲線的最大值PGA2為：

根據(jù)《細(xì)則》，應(yīng)選取三條地震波進(jìn)行E2地震作用時(shí)程分析。此連續(xù)梁橋址區(qū)對應(yīng)的場區(qū)基本地震烈度為6度，場地土條件為Ⅱ類。選取三條著名的地震波，分別為EL_CENTRO波，TAFT波和TANGS波，其主要信息如下表1，各地震波的時(shí)、頻曲線如下圖3。計(jì)算時(shí)取三條波的最大值。

3.2橋墩變形驗(yàn)算

E2地震（大震）作用下，按《細(xì)則》中7.4.2條驗(yàn)算橋墩潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉(zhuǎn)動能力：

式中：——在E2地震作用下，潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角;

——塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角，按《細(xì)則》中第7.4.3條計(jì)算。

根據(jù)7.4.3條，塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角應(yīng)根據(jù)極限破壞狀態(tài)的曲率能力，按下式計(jì)算：

式中：——截面的等效屈服曲率，圓形截面橋墩按《細(xì)則》中附錄B計(jì)算;

——極限破壞狀態(tài)的曲率，圓形截面橋墩按《細(xì)則》中附錄B計(jì)算;

K——延性安全系數(shù)，取2.0;

——等效塑性鉸長度（cm），可取以下兩式計(jì)算結(jié)果的較小值;

H——懸臂墩的高度或塑性鉸截面到反彎點(diǎn)的距離（cm）;

b——矩形截面短邊尺寸或圓形截面直徑（cm）;

——縱向鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa）;

——縱向鋼筋的直徑（cm）;

計(jì)算可得。

3.2.1計(jì)算

圓形截面的屈服曲率可按下式計(jì)算：

式中：——相應(yīng)于鋼筋屈服時(shí)的應(yīng)變;

D——圓形截面的直徑（m）;

計(jì)算可得，×1.5=2.213×0.002，=0.00295。

3.2.2計(jì)算

圓形截面極限曲率（1/m）可分別根據(jù)以下兩式計(jì)算，取小值。

式中：P——截面所受到的軸力（kN），按下表2計(jì)算;

——混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），C30混凝土為20.1MPa;

——混凝土截面面積（m2），為1.60541 m2;

——鋼筋極限拉應(yīng)變，取為0.09;

——約束混凝土的極限壓應(yīng)變，按下式計(jì)算

——約束鋼筋的體積含筋率;

——箍筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），HPB300鋼筋為300MPa;

——約束鋼筋的折減極限應(yīng)變，取0.09;

——約束混凝土的峰值應(yīng)力（kN/m2），取1.25倍混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

經(jīng)計(jì)算，得到。

4結(jié)論

本文采用單自由度體系的簡化分析方法，簡化預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁與橋墩之間的連接關(guān)系，研究了橋墩在E2地震作用下的損傷情況，研究結(jié)果表明：

（1）在本文指定的預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁和E2地震條件下，橋墩不會破壞。

（2）橋墩墩底截面縱向鋼筋均處于受壓狀態(tài)，墩底截面保持在彈性狀態(tài)，墩底截面塑形轉(zhuǎn)角近似為0，橋墩變形滿足要求。