基于美國(guó)規(guī)范的機(jī)場(chǎng)高架橋抗震分析

謝 峰，王衛(wèi)東，舒鵬宇，孫先鋒

（中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610041）

0 引 言

在國(guó)家大力推進(jìn)“一帶一路”的重大戰(zhàn)略的背景下，中國(guó)企業(yè)深入踐行“一帶一路”倡議，有效落實(shí)“海外優(yōu)先”指導(dǎo)思想，充分彰顯中國(guó)企業(yè)品牌實(shí)力，海外業(yè)務(wù)新簽合同額、營(yíng)業(yè)收入每年都大幅增加。其中，中國(guó)企業(yè)承建各個(gè)國(guó)家機(jī)場(chǎng)的業(yè)務(wù)也越來(lái)越多，隨之帶來(lái)更多的機(jī)場(chǎng)高架橋業(yè)務(wù)。機(jī)場(chǎng)高架橋由于其橋?qū)捿^寬，墩柱較少，橋梁抗震設(shè)計(jì)存在著一定的特殊性。在美國(guó)規(guī)范下，研究探討高架橋特點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)方法具有研究意義。

與中國(guó)橋梁抗震規(guī)范不同，美國(guó)規(guī)范中，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)按單一水準(zhǔn)設(shè)防和一階段設(shè)計(jì)。目標(biāo)可以歸納為：設(shè)計(jì)地震下，橋梁不發(fā)生倒塌。本文以某東南亞機(jī)場(chǎng)高架橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用有限元軟件建立三維模型，分析整體橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，并對(duì)橋梁進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

1 工程概況

某東南亞國(guó)家新建一大型機(jī)場(chǎng)，是其國(guó)內(nèi)重要投資項(xiàng)目之一。其中機(jī)場(chǎng)高架橋是機(jī)場(chǎng)中必不可少的組成部分，其安全性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)機(jī)場(chǎng)平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)有著直接的影響。高架橋總長(zhǎng)546.755 m，橋梁一共五聯(lián)，其中站前段第三聯(lián)跨度布置為9 m×18 m，總長(zhǎng)為162 m。整跨同寬，寬度為32.8 m。在橋梁方案階段，為了造型美觀，采用雙柱墩，橋墩采用變截面圓柱墩，尺寸上大下小。墩柱橫向間距18 m，見(jiàn)圖1。在分聯(lián)墩與橋臺(tái)處設(shè)置伸縮縫和支座，其余橋墩與梁固結(jié)。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：mm）

2 抗震計(jì)算模型

在美國(guó)抗震設(shè)計(jì)中，一直對(duì)橋梁采用性能抗震設(shè)計(jì)理念，其中以位移控制為主，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵截面進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核[1]。

根據(jù)1 s周期對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度譜值SD1，將高架橋的抗震設(shè)計(jì)劃分為C類，短周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度參數(shù)SDS為0.266g，長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜加速度參數(shù)SD1為0.123g，場(chǎng)地分類為E類，響應(yīng)修正因子R=5。

地震輸入按在75年內(nèi)超越概率為7%的情況下，進(jìn)行了線性多模態(tài)反應(yīng)譜分析。各個(gè)模態(tài)的組合模式采用CQC方法[2]。結(jié)構(gòu)阻尼比取為0.05。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到的橋梁地震縱向效應(yīng)Ex，橋梁地震橫向效應(yīng)Ey，橋梁地震豎向效應(yīng)Ez。地震效應(yīng)采用兩種組合方式：（1）Ex+0.3Ey+0.3Ez；（2）0.3Ex+Ey+0.3Ez。

采用有限元軟件Midas civil進(jìn)行三維模型模擬見(jiàn)圖2。橋墩與主梁固結(jié)，交接墩處設(shè)置滑動(dòng)支座。

圖2 高架橋三維計(jì)算模型

3 高架橋抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 橋梁墩柱M-φ曲率分析

在美國(guó)規(guī)范中，橋墩截面的抗彎能力采用截面積分的方法進(jìn)行M-φ曲率分析，目標(biāo)是在地震作用組合下，可發(fā)生輕微損傷，基本不影響車輛通行，具體是指地震組合彎矩（考慮軸向力的影響）小于截面的等效屈服彎矩。

根據(jù)靜力平衡原理和相容性假定[3]，由有限元軟件（如UCFyber）計(jì)算得到截面的M-φ曲線，從而根據(jù)式（1），可以得到截面的等效慣性矩Ieff。并且在三維建模時(shí)，采用等效慣性矩。

其中橋墩混凝土按需求劃分單元，鋼筋單獨(dú)作為一個(gè)單元，見(jiàn)圖3。其中根據(jù)截面尺寸以及配筋情況，對(duì)高架橋橋墩三個(gè)控制截面的抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。三個(gè)控制截面A、B、C位置見(jiàn)圖4。A截面直徑為1.9 m，B截面直徑為2.2 m，C截面直徑為1.5 m。

圖4 橋墩一般構(gòu)造圖（單位：mm）

圖3橋墩截面網(wǎng)格劃分

3.2 橋墩墩頂位移驗(yàn)算

美國(guó)規(guī)范中，橋墩的縱向或橫向位移應(yīng)滿足：

ΔPu＜0.25φMn[4]

式中：Δ為墩的相對(duì)位移點(diǎn)相對(duì)于固定點(diǎn)的位移，m；Δe為彈性地震分析計(jì)算的位移，m；T為基本振型的周期，s；Pu為橋墩上的軸向荷載，kN；φ為柱的抗彎系數(shù)；Mn為墩的軸向荷載下計(jì)算的墩的屈服彎曲強(qiáng)度，kN·m。

根據(jù)計(jì)算公式，驗(yàn)算見(jiàn)表1。

表1 橋墩墩頂位移驗(yàn)算表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在地震作用下，高架橋固結(jié)墩共同承擔(dān)地震力。各個(gè)縱向固定墩的位移能力滿足規(guī)范要求，延性能力滿足位移能力需求。

3.3 橋墩在地震作用下的強(qiáng)度驗(yàn)算

剪切破壞作為脆性破壞，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是必須避免的。為保證當(dāng)橋墩中的塑性鉸達(dá)到最大抗彎承載力時(shí)，橋墩不發(fā)生剪切破壞，需進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算見(jiàn)表2。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，給出其中一側(cè)4個(gè)橋墩的承載力驗(yàn)算。從橋墩順橋向驗(yàn)算結(jié)果表中可以看出在設(shè)計(jì)地震作用下：橋墩塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

表2 縱向地震作用組合下抗剪承載力驗(yàn)算

3.4 樁基驗(yàn)算

美國(guó)規(guī)范中，對(duì)在地震作用下需要其保證完全彈性的構(gòu)件稱為能力保護(hù)構(gòu)件[5]。本橋?qū)痘鳛槟芰ΡＷo(hù)構(gòu)件，由墩底斷面的等效屈服彎矩計(jì)算得到的超強(qiáng)彎矩，對(duì)樁基抗彎能力進(jìn)行能力保護(hù)驗(yàn)算，樁基抗彎承載力采用與本文3.1中墩柱相同方法計(jì)算得到，并考慮了軸力影響，驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 縱向地震作用組合下樁基抗彎能力驗(yàn)算

由驗(yàn)算結(jié)果表可以看出，樁基均處于彈性范圍，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)過(guò)對(duì)高架橋在美國(guó)規(guī)范的抗震驗(yàn)算，得出以下結(jié)論。

（1）在地震作用下，由于P1～P8號(hào)墩與主梁固結(jié)，共同承擔(dān)地震力，解決因?yàn)楣探Y(jié)墩過(guò)少而導(dǎo)致固結(jié)墩受到地震力過(guò)大，可能出現(xiàn)的剪切脆性破壞的情況。

（2）在對(duì)橋墩三個(gè)控制截面的抗剪驗(yàn)算過(guò)程中，墩底位置由于截面較小，抗剪承載力較小，是相對(duì)薄弱的地方。

（3）在現(xiàn)有的美國(guó)規(guī)范下，各橋墩的位移能力滿足抗震設(shè)防要求，且具有足夠的抗剪能力，抗震性能滿足抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

（4）樁基作為能力保護(hù)構(gòu)件，在橋墩超強(qiáng)彎矩作用下，處于彈性范圍。