廣西柳州鳳凰嶺大橋抗震設(shè)計(jì)

龐 偉

（廣西柳州市城市投資建設(shè)發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對橋梁建筑的美學(xué)要求不斷提高，出現(xiàn)了更多形式新穎的橋梁建筑形式。其中，在普遍應(yīng)用的大跨度連續(xù)梁橋上，興建具有地方特色的橋上建筑的結(jié)構(gòu)形式不斷涌現(xiàn)，廣西柳州鳳凰嶺大橋便是地域特色與橋梁結(jié)構(gòu)形式完美融合的典型代表。

本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋?yàn)榻ㄔO(shè)工程為背景，采用數(shù)值模擬方法，進(jìn)行含有橋上建筑的大跨連續(xù)梁橋的地震反應(yīng)分析與驗(yàn)算。驗(yàn)算結(jié)果表明，該橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能滿足規(guī)范要求。

1 工程概況與有限元模型

1.1 工程概況

柳州市鳳凰嶺大橋主橋采用跨徑布置為（96+124+3×130+90）m=700m等高連續(xù)組合梁方案（見圖1）。橋面全寬46.6m，等高雙箱單室鋼箱組合梁斷面，梁高6.5m（見圖2）。中墩采用箱型截面空心墩，截面尺寸為5.5m×39.5m，立柱為空心截面，壁厚0.8m。中墩承臺(tái)為圓端形，承臺(tái)平面尺寸為6.48m×40.5m，厚度3.0m，采用18根φ1.8m鉆孔灌注樁（見圖3、圖5、圖7）。邊墩采用矩形實(shí)心截面，截面尺寸為4.0m×38.5m，承臺(tái)為矩形整體式，平面尺寸為6.25m×39.5m，厚度3.0m,采用18根φ1.5m鉆孔灌注樁（見圖4、圖6、圖7）。主梁的鋼梁主體結(jié)構(gòu)采用Q345qC鋼，其余各部件混凝土使用情況見表1。

表1 混凝土使用情況

圖1 主橋立面圖

圖2 主橋斷面圖（單位:mm）

圖3 主橋中墩樁基布置圖

圖4 主橋邊墩樁基布置圖

圖5 中墩配筋圖

圖6 邊墩配筋圖

圖7 樁基配筋圖

1.2 有限元模型

橋墩、鋼箱主梁、橋上建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件均采用梁單元模擬,承臺(tái)近似按剛體模擬，其質(zhì)量堆聚在承臺(tái)質(zhì)心,墩底與承臺(tái)中心及樁頂中心節(jié)點(diǎn)主從相連，二期恒載以均布線質(zhì)量的形式加載至主梁單元上。主橋設(shè)計(jì)采用球型鋼支座，其中橋墩4#處設(shè)置固定支座，其余橋墩均布置滑動(dòng)支座。采用六彈簧模型模擬各群樁基礎(chǔ)的影響，彈簧剛度根據(jù)土層狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定，由土層資料確定m值。根據(jù)上述模擬方法，以SAP2000軟件為建模工具，建立的全橋有限元模型見圖8。

圖8 全橋空間動(dòng)力計(jì)算模型

2 地震動(dòng)輸入

本橋地震基本烈度為6度，水平向地震動(dòng)峰值加速度0.05g。建筑工程抗震設(shè)防類別為丙類，建筑場地類別Ⅱ類,多遇地震的場地特征周期為0.35s，設(shè)計(jì)安全等級一級,結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1。根據(jù)規(guī)范[1-3]得到地震動(dòng)加速度目標(biāo)反應(yīng)譜見圖9。根據(jù)給出的目標(biāo)反應(yīng)譜生成人工波，選擇與目標(biāo)反應(yīng)譜擬合較好的3條地震波進(jìn)行計(jì)算，并取最大值作為最終結(jié)果。

圖9 加速度反應(yīng)譜

3 E1地震作用下地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算

3.1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

對橋梁結(jié)構(gòu)在E1地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見表2、表3。

表2 橋墩墩底截面內(nèi)力

表3 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

3.2 非線性時(shí)程分析結(jié)果

對橋梁結(jié)構(gòu)在E1地震作用下進(jìn)行非線性時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見表4~表6。

表4 橋墩墩底截面內(nèi)力

表6 橋上建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力驗(yàn)算

表5 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GJJ166—2011)[1]與《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）[4]的規(guī)定，對E1地震作用下反應(yīng)譜及非線性時(shí)程分析結(jié)果展開驗(yàn)算。限于篇幅，列出部分橋上建筑鋼構(gòu)件在E1非線性時(shí)程分析中的驗(yàn)算結(jié)果，反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果雖未給出，但滿足規(guī)范要求，驗(yàn)算表中的界限值對應(yīng)于正應(yīng)力。可以看出，橋墩、樁基礎(chǔ)關(guān)鍵截面、橋上鋼構(gòu)件抗彎承載力滿足規(guī)范要求。

4 E2地震作用下地震反應(yīng)分析與抗震驗(yàn)算

4.1 反應(yīng)譜分析結(jié)果

對橋梁結(jié)構(gòu)在E2地震作用下進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見表7、表8。

表7 橋墩墩底截面內(nèi)力

表8 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

4.2 非線性時(shí)程分析結(jié)果

對橋梁結(jié)構(gòu)在E2地震作用下進(jìn)行非線性時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)重要部件關(guān)鍵截面內(nèi)力見表9~表11。

表9 橋墩墩底截面內(nèi)力

表10 主橋樁基礎(chǔ)地震響應(yīng)

表11 橋上建筑鋼結(jié)構(gòu)桿件最大應(yīng)力驗(yàn)算（非線性時(shí)程分析法）

對E2地震作用下反應(yīng)譜及非線性時(shí)程分析計(jì)算結(jié)果展開驗(yàn)算。限于篇幅，列出部分橋上建筑鋼構(gòu)件在E2非線性時(shí)程分析中的驗(yàn)算結(jié)果，反應(yīng)譜的計(jì)算結(jié)果雖未列出，但滿足規(guī)范要求，驗(yàn)算表中的界限值對應(yīng)于正應(yīng)力?？梢钥闯觯瑯蚨?、樁基礎(chǔ)關(guān)鍵截面、橋上鋼構(gòu)件抗彎承載力滿足規(guī)范要求。

5 橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法

目前，可采用的地震反應(yīng)分析方法包括靜力法、反應(yīng)譜法和非線性時(shí)程分析法。其中，靜力法由于忽略了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，因而具有很大的局限性，所以本研究采用反應(yīng)譜法和非線性動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法，對廣西柳州鳳凰嶺大橋開展抗震設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。反應(yīng)譜法計(jì)算簡便，可以通過較少的計(jì)算量獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值，因而成為各國規(guī)范中的基本分析手段。但反應(yīng)譜只是彈性范圍內(nèi)的概念，沒有考慮結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展，而且只能得到結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)，不能反映結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)過程中的經(jīng)歷和地震持續(xù)時(shí)間的影響，因而本研究在反應(yīng)譜分析法的基礎(chǔ)上同時(shí)采用了可考慮各種非線性因素的、較為精確的非線性時(shí)程分析法，對橋梁結(jié)構(gòu)和橋上建筑的地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究。從兩種方法的計(jì)算結(jié)果來看，反應(yīng)譜方法和非線性時(shí)程法的結(jié)果互相印證和校核，差距在合理范圍內(nèi)，確保了鳳凰嶺大橋抗震分析的準(zhǔn)確性和可靠程度。

6 結(jié)語

本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋工程為背景，采用兩水平抗震設(shè)計(jì)方法，對含有橋上建筑的大跨連續(xù)梁橋在E1、E2地震作用下采用反應(yīng)譜法和非線性時(shí)程分析法，以SAP2000（v19.2）軟件作為建模工具，進(jìn)行了地震反應(yīng)分析與驗(yàn)算，得到了如下結(jié)論，對該類橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供了參考。

（1）在E1地震作用下，主橋樁基礎(chǔ)最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，保持彈性工作狀態(tài)，橋墩關(guān)鍵截面和上部鋼桁架桿件亦保持彈性工作狀態(tài)。

（2）在E2地震作用下，橋墩關(guān)鍵截面及樁基礎(chǔ)最不利單樁截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，滿足其各自性能目標(biāo)，上部鋼桁架所有構(gòu)件均能滿足強(qiáng)度要求，支座位移滿足要求。

（3）本研究采用了反應(yīng)譜法和非線性時(shí)程分析法兩種地震動(dòng)分析方法對廣西柳州鳳凰嶺大橋開展了地震動(dòng)響應(yīng)研究。兩種方法互相補(bǔ)充、印證，確保了計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠程度。