立交桥大型十字交叉口抗震支座布置研究

大体积混凝土结构对温度是十分敏感的，然而对于立交桥大型十字交叉口还需要考虑地震作用。从一般桥梁设计理念上说，对于混凝土的桥梁结构应该尽量减少约束来降低温度引起的次内力。然而从抗震设计上考虑，刚度和质量平衡是桥梁抗震理念中最重要的一条，对于相邻桥墩高度相差较大导致刚度相差较大的情况，水平地震力在各墩间的分配一般不理想，刚度大的墩将承受较大的水平地震力，影响结构的整体抗震能力，然而这种机理的纽带是梁与墩之间的支座，水平地震力就是根据各墩和支座构成的串联体系的水平刚度按比例进行分配的，因此支座的布置形式对于结构的整体抗震能力影响很大。本文以某立交桥大型十字交叉口（位于立交桥两线交叉处，交叉口面积达7826.7m2，上部结构整体采用网格箱梁布置，梁高均为1.8m；其中，两个方向长均为111m、宽均为36.5m；外型四角采用圆弧连接，并设置悬臂，圆弧半径为35m，悬臂长175cm，悬臂端厚20cm，悬臂端部厚45cm，为普通钢筋混凝土结构。下部结构采用一柱一桩形式。桥墩采用1.8×1.8m钢筋混凝土立柱；基础采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。墩柱平面布置图如图1所示。）为例进行不同支座布置形式对温度效应和抗震能力的影响规律研究。

图1 十字交叉口处桥梁结构

图2 形式一布置墩柱平面布置图

1 支座布置形式

由于本十字交叉口为整体现浇钢筋混凝土结构，且面积较大，故考虑温度效应和抗震性能，支座布置将分成下列几种形式进行探讨：

(1)形式一：采用一般连续梁桥的支座布置理念进行抗震支座的布置，即球钢抗震支座带状布置如图2所示，其余支座采用多向活动支座。

(2)形式二：采用球钢抗震支座核心区布置如图3所示，其余支座采用多向活动支座。

(3)形式三：采用高阻尼橡胶支座全桥布置，支座刚度的选取参考了常规的高阻尼橡胶支座，支座水平刚度近似按2.4kN/mm选取。

图3 形式二布置

图4 有限元计算模型

2 有限元分析

采用MIDAS对于采用不同支座布置形式的大型交叉口桥梁结构进行温度效应和抗震能力的计算分析。利用三维空间梁格法进行建模，建模过程中把箱室从顶、底板对中切开成工字形，将每道腹板及其相邻的顶、底板作为梁格纵向构件，并在悬臂板边缘和湿接缝中央设置虚拟纵梁，结构计算模型如图4所示。

2.1 温度荷载

温度荷载主要包括体系升降温、梯度温度。

体系升降温：根据文献[3]，采用寒冷地区混凝土结构的最高有效温度标准值为34℃，最低有效温度标准值为-10℃，考虑结构升温工况的基准温度为5℃，而降温工况的基准温度为15℃；故考虑混凝土结构的体系升温29℃，体系降温-25℃。

梯度温度：混凝土箱梁梯度温度按文献[3]，T1=14℃，T2=5.5℃；考虑负温度梯度，T1=-7℃，T2=-2.75℃。

2.2 地震反应谱

计算采用的反应谱按文献[1]取用。场地采用7度区，动峰值加速度0.15g，采用规范反应谱进行计算。相关参数取值如下：Ci=1.7、Cs=1、Cd=1；按Ⅲ类场地考虑；区划图上特征周期为0.35s；水平向地震动加速度峰值A=0.15g。

2.3 计算结果

温度效应和地震计算结果如图5～图7所示。

图5 温度效应引起的主梁弯矩

图6 温度效应引起的主梁轴力

图7 地震引起的桥墩弯矩

3 计算结果对比分析

3.1 温度效应计算结果对比分析

取主梁核心区进行温度效应计算结果对比如图8和图9所示，可以看出温度对于三种不同支座布置形式对主梁的弯矩影响不大；从图9可以明显看出，随着支座约束的增加，温度引起的主梁轴力随之增加，也就是说约束越多温度引起的次内力越大。说明支座布置形式三对于温度效应是最不利的。

图8 温度引起的主梁核心区弯矩对比结果图(kN*m)

图9 温度引起的主梁核心区轴力对比结果图(kN)

3.2 地震反应谱计算结果对比分析

取地震反应谱计算的桥墩弯矩最大值进行比较，由图7可以看出：

形式一地震作用下墩最大弯矩为10749.9kNm；

形式二地震作用下墩最大弯矩为10485.4kNm；

形式三地震作用下墩最大弯矩为1197.5kNm；

形式一和形式二参与抗震的墩有24个，形式三参与抗震的墩为140个，从上述结果可以说明随着抗震墩数量的增加，地震引起的墩的效应相应的减小，结构能够最大限度的提高整体抗震能力。说明形式三对于结构的抗震是最有利的。

4 结论

通过不同支座布置形式对大型十字交叉口的温度效应和地震响应分析可以得出：随着支座约束的增加，温度引起的次内力随之增大；桥梁抗震设计中支座的布置应最大限度的使更多的桥墩参与抗震，以提高桥梁结构的整体抗震能力。综合以上两点，在桥梁设计中应根据实际情况分析，在满足桥梁常规设计的前提下，采用劲量多的使桥墩参与抗震的支座布置形式。