大跨矮墩连续刚构地震响应分析

陈礼榕

(福建省交通规划设计院,福建福州350004)

连续刚构桥具有整体刚度大、后期养护费用少,施工方便等优点,在我国公路工程得到广泛应用。这类桥桥墩多采用双肢薄壁等柔性墩,抗推刚度较小,能有效减少温度、混凝土收缩徐变和地震的影响,但它的应用也受到联长和墩高的制约[1]。

1 工程概况

洋里特大桥是福州长乐国际机场高速公路控制性的重要构造物,其位于福州市晋安区,场区属冲海积平原地貌,地势平坦,地形开阔,地表为民用建筑和耕植地。洋里特大桥总长1 631.5m,主桥采用(100+168+100)m变截面连续刚构箱梁,1号刚构墩墩高为15.7m,高跨比仅为1∶10.7,主桥布置见图1。

洋里特大桥属大型公路桥梁,桥址位于华南沿海地震带北段和台湾海峡地震带西段。台湾海峡地震带和华南沿海地震带是我国大陆地区地震活动性最强的地震带之一,历史上曾发生过多次破坏性地震。为确保主桥在地震作用下有足够的抗震性能,对主桥结构进行地震响应分析。

图1 主桥桥跨布置

2 抗震设防标准与计算参数

根据《洋里特大桥工程地质评价综合图表》,洋里特大桥主桥桥址处淤泥层较厚,厚度超过20 m,工程场地类型为Ⅲ类,抗震设防烈度为7度,地震动峰值加速度为0.10g,地震动反应谱特征周期值为0.55 s。

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008),洋里特大桥主桥的抗震设防类别为A类。竖向地震动加速度峰值取为相应的水平地震动加速度峰值的1/2,其谱形参数与水平向的谱形参数相同。设计反应谱参数取值见表1。

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3 主桥空间有限元模型的建立

利用大型结构分析软件MIDAS 7.4,建立洋里特大桥主桥空间动力计算模型,采用有限元方法进行地震响应分析。在计算模型中,主梁、桥墩、承台及桩基础均采用三维梁单元模拟。桩-土结构相互作用中必须考虑与应变水平有关的土壤性质,桩基周围土的约束作用可以用等代土弹簧来模拟[2]。在主桥动力计算模型中,约束和边界条件处理为:对于边墩的GPZ盆式支座,采用刚性连接单元模拟,纵桥向铰接,横桥向和竖向固结;采用刚性连接单元模拟墩-梁固结。

4 结构地震响应分析

采用多振型反应谱分析方法对洋里特大桥主桥分别在E1和E2地震作用下的结构反应分别进行计算分析。在反应谱分析中,为保证计算精度,按振型叠加法计算结构的最大地震响应时,考虑的振型阶数均在计算方向获得90%以上的有效质量,振型组合采用CQC法。

大跨连续刚构箱梁上部结构箱梁刚度大,不控制抗震验算,故主要分析下部结构的地震响应。

4.1 E1地震作用响应分析

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)和《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004),最不利地震响应内力与成桥阶段内力进行组合,经比较分析,纵向地震作用控制桥墩抗震设计,桩基在横向组合地震响应内力较大。具体计算结果如表2和表3所示。

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由表2、表3可知,E1地震作用下,主墩和桩基强度均满足规范要求;桩基强度富余较多,不控制设计。

4.2 E2地震作用响应分析

在E2地震作用下,主墩进入较明显弹塑性状态;按照抗震设防目标的要求,此时应保证整体结构在E2地震时只产生有限损伤,需要对各桥墩的变形能力(主要是延性)和桩基础的强度进行验算。桥墩的变形能力验算通常采用截面M- 分析方法。为了保证E2地震作用下主墩具有足够的延性,应按下式检算各墩潜在塑性铰区截面的塑性转动能力:

式中:θp为E2地震动作用下桥墩潜在塑性铰区截面的塑性转角;K为安全系数,取K=2.0。表4为各墩变形能力的验算结果。

由表4可知,洋里特大桥主桥桥墩的变形能力均能满足E2地震动作用下的位移需求。经计算分析,桩基强度不控制抗震验算。

洋里特大桥主桥0号和3号交界墩顶均设有单向活动和多向活动球形钢支座各一个,其纵向容许位移[Xe]=200 mm。E2地震作用下的支座位移验算,验算结果如表5所列。

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由表5可知,在E2地震动作用下,主桥两侧交界墩上设置的盆式支座的位移能力均满足抗震要求。

5 结 论

连续刚构桥采用柔性墩,能有效减少温度、混凝土收缩徐变和地震的影响,但它的应用受墩高的制约。大跨矮墩连续刚构箱梁高跨比较小,下部结构控制抗震设计。洋里特大桥采用反应谱法进行地震响应分析,在E1和E2地震作用下,结构强度满足规范要求;在E2纵桥向地震作用下主墩进入弹塑性状态,需进行延性设计;本桥主墩桩基采用纵向双排6根群桩基础,下部横桥向刚度大,桩基的横向地震响应内力较大。

[1]陈福寿.矮墩连续刚构桥的实现[J].公路,2004(6):84-86

[2]陈礼榕.大跨刚构拱桥的组合有限元计算分析研究[D].西南交通大学,2005