(65+100+65)m钢-混组合连续梁下部结构抗震性能分析

雷艳妮

（上海隧道股份市政公用工程设计研究院，上海市200062）

0 引言

我国处于世界两大地震带——环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是一个强震多发国家，地震的发生频率高、强度大、灾害严重，几乎所有的省、市、自治区都发生过六级以上的破坏性地震。随着国内外震害资料的不断增加，人们对地震动特性及地震作用下各类结构的动力响应特性，破坏机理、构件能力的研究和认识也不断加深，而另一方面，由于经济的原因，对不同的结构在不同水准地震作用下结构预期抗震性能会有不同的要求。以上因素，不断促使抗震设计思想和方法的发展，由原来的单一设防水准逐渐向多水准设防、多性能目标准则的基于性能的抗震设计方向发展[1-3]。

我国现行的抗震设计规范，分别给出了两个等级的地震动参数：E1和E2地震作用，进行两个阶段的抗震设计。

本文结合昆明市南连接线高速公路工程中跨越南昆铁路的（65+100+65）m钢-混组合梁主桥，对公路桥梁抗震进行分析探讨。

1 工程概况

南昆铁路跨线桥主桥为(65+100+65)m钢-混组合连续梁结构，桥面采用双幅布置，单幅桥面宽16.5 m，中间0.5 m分隔带。上部结构采用等高钢-混凝土组合结构连续箱梁，由混凝土桥面板及槽形钢箱梁组成，组合梁底宽7 m。下部结构采用钢筋混凝土矩形独柱墩，截面尺寸为4.0 m×3.0 m，边墩顶部接L型盖梁，顺接引桥小箱梁，7～10号墩高分别为15.5 m，20 m，23 m和25.5 m（取主桥左幅进行分析）；承台尺寸为6.5 m×10.5 m×3.0 m（边墩）和10.5 m×10.5 m×4.0 m（中墩），采用φ1.5 m钻孔灌注桩基础。

墩身采用C40混凝土，纵筋直径为Φ28，配筋率为1.23%；箍筋直径为Φ12，箍筋加密区体积配箍率为1.26%。

昆明地区抗震设防烈度为8度，水平向地震动峰值加速度为0.2 g，反应谱特征周期为0.45 s；地质主要以粘性土、粉砂、泥炭土等组成，建筑场地类别属于Ⅱ类。

该工程桥梁的抗震设防类别为B类，抗震设防措施等级为9级，E1地震作用的抗震重要性系数Ci=0.5，E2地震作用的抗震重要性系数Ci=1.7。

2 抗震设计

该工程进行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震验算。在E1作用下，结构要保持在弹性范围内工作，但是在E2作用下，墩身很有可能进入塑性阶段内工作，一般可考虑两种方案进行抗震设计：（1）延性抗震设计；（2）减隔震抗震设计。

延性抗震设计是通过结构选定部位的塑性变形（主要是在桥墩底部形成塑性铰）来消耗地震能量，延长结构周期，从而减小地震反应，同时利用能力保护原则进行基础的设计[3]。这种方法对基础的能力提出较高的需要，可能导致下部基础造价增加。

常用的减隔震技术通过引用柔性装置（如橡胶支座）来延长结构的基本周期，以避开地震能量集中的周期范围，从而降低结构的地震力[3]。这种方案的优点是下部基础基本可以不受地震控制，地震能量主要由支座耗散，其关键因素在于隔震支座选型及其他构造处理。

考虑基础设计的经济性，该桥采用减隔震设计作为抗震设计指导方案，支座采用铅芯橡胶支座。

3 E1地震作用计算

3.1 E1地震计算模型

（1）主梁、桥墩及桩基础模拟

利用空间结构分析软件midas Civil 2011建立（65+100+65）m钢-混组合梁全桥空间有限元计算模型，采用梁单元建模，共计216个节点，195个单元，边界条件依照《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）（以下简称《细则》）第 6.3.8条，考虑桩土共同作用，在承台底采用等代土弹簧模拟，三维空间离散图如图1所示。

图1 E1地震三维空间离散图

（2）地震荷载作用

该模型对于E1地震，采用反应谱进行计算，根据《细则》第5.1条规定，选择相应地震动相关参数，最后得到E1水平设计加速度反应谱如图2所示。

图2 E1地震水平设计加速度反应谱曲线

（3）减隔震支座参数设置

该桥设置铅芯橡胶减隔震支座，在E1地震作用中，考虑减隔震支座的等效水平刚度进行计算，其具体参数如表1所列。

表1 铅芯橡胶减隔震参数表

3.2 E1地震计算结果

（1）振型阶数的有效性评价和振型组合方法选择

从振型参与质量统计中看出，30阶振型各方向上的振型参与质量合计均大于90%的有效质量，满足《细则》6.4.3条关于考虑的振型阶数的要求。30阶振型自振周期分布较密集，符合公式6.4.2-3的判定，应选择CQC法进行振型组合。结构前十阶振型如图3所示。

图3 结构前十阶振型示意图

（2）在E1地震作用下桥墩验算

在E1地震作用下，顺桥向及横桥向内力如表2所列。

表2 E1地震作用下墩底截面内力

依据《细则》第7.2.1条规定，对桥墩依据公路桥涵设计规范相关规定，进行强度验算，验算结果表明，设计内力小于抗力，满足规范要求。

4 E2地震作用计算

4.1 E2地震波选取

对于E2地震验算，采用动力弹塑性方法进行计算，由于缺少《地震动安全性评估报告》，因此依据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）（以下简称《规范》）进行时程选波。

依据《规范》第5.1.2条的规定，正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值、持续时间[4]。根据midas Civil地震波数据库，依据以上要求进行选波，最后选择James波，如图4所示。

（1）特征周期

对James波进行计算，其特征周期计算结果如图5所示，特征周期为0.456 s，与设计场地的特征周期0.45，误差为4%，满足规范10%的要求。

（2）有效时间

《规范》第5.1.2条的条文说明规定，输入的地震动加速度时程曲线的有效时间，一般从首次到达该时程曲线的最大峰值10%那一点开始起算，到最后一点达到最大峰值的10%为止，此段时间为有效时间，要求有效持续时间为结构基本周期的 5～10倍[4]。

通过特征值计算，结构的基本周期为2.7 s，而所选地震波的有效持续时间为15.92 s，满足规范的要求。

（3）峰值强度

图4 James波的示意图

图5 James时程波相关参数

《规范》第5.1.2条的条文说明规定，所选地震波的有效峰值需要反映场地设计加速有效峰值[4]。按照《规范》中表5.1.2-2规定，对于8度区所用加速度时程有效峰值为400 cm/s2，所选James地震波的有效峰值为 0.506 g=0.506×10×100=506（cm/s2），因此需要对James波进行调幅，调幅系数为1.265。

经过调幅后的时程波如图6所示。

4.2 E2地震计算模型

E2地震作用下，采用时程法进行动力弹塑性分析，建模方法同E1地震计算模型，三维空间离散图如图7所示。

动力弹塑性分析考虑材料的非线性，定义非弹性铰特征值，采用纤维模型进行计算，纤维划分示意图如图8所示。

边界条件采用一般连接特征值，考虑减隔震效应，对于边支座与中支座的具体参数定义，如图9和图10所示。

图6 调幅后James波的示意图

图7 E2动力弹塑性分析模型离散图

图8 纤维划分示意图

图9 边支座定义示意图

图10 中支座定义示意图

4.3 E2地震计算结果

（1）桥墩是否进入弹塑性判断

根据《细则》第10章的相关规定，当采用减隔震支座时，桥梁主体结构按能力保护构件进行设计，其中包括桥墩强度也在弹性范围。

利用M-Phi曲线工具，求解7号、8号、9号、10号桥墩墩底截面的M-Phi曲线，具体如图11所示。

在E2地震波作用下，桥墩顺桥向及横桥向墩底最大内力如表3所列。

对比7～10号墩：7号桥墩顺桥向等效屈服弯矩55722 kN·m，横桥向 74068 kN·m；8号桥墩顺桥向等效屈服弯矩70862 kN·m，横桥向93864 kN·m；9号桥墩顺桥向等效屈服弯矩72573 kN·m，横桥向96142 kN·m；10号桥墩顺桥向等效屈服弯矩59432 kN·m，横桥向 78914 kN·m。

通过与表4数据进行对比，桥墩没有进入塑性状态，在弹性范围，满足优化设计要求。

图11 7～10号墩底截面M-Phi曲线示意图

表3 E2地震作用下墩底最大内力

（2）桥墩墩顶位移计算

提取时程分析计算结果，对于7号、8号、9号、10号墩顶位移定义位移函数，提取各桥墩墩顶顺桥向和横桥向时程曲线对比。顺桥向桥墩墩顶最大位移发生在6.26 s，第10号桥墩墩顶，最大位移10 cm；横桥向桥墩墩顶最大位移发生在6.78 s，第10号桥墩墩顶，最大位移6.27 cm，均满足设计要求。

（3）桥墩抗剪验算

根据《细则》第7.3.4条，需要对桥墩潜在塑性铰区域抗剪按能力保护构件计算，其中由于考虑减隔震支座，桥墩未进入塑性状态，因此剪力设计值按表3进行取值，对根据抗剪承载能力计算表（如表4所列），桥墩抗剪计算满足要求。

5 结语

本文以昆明市南连接线高速公路工程中跨越南昆铁路的(65+100+65)m钢-混组合梁主桥为背景，采用反应谱和动态时程分析方法对桥梁进行地震响应分析。

表4 桥墩抗剪承载能力计算

考虑铅芯橡胶支座的非线性特性，分别利用反应谱进行E1地震作用下和时程分析方法进行E2地震作用下的结构响应分析，通过计算各墩柱截面的M-Phi曲线判断了各个墩柱在E2地震下的工作状态均处于弹性工作范围之内，达到了设置减隔震装置的性能目标。

[1]JTG/T B02-01—2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

[2]范立础,王志强.桥梁减隔震设计[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]叶爱君,管仲国.桥梁抗震[M].北京:人民交通出版社，2002.

[4]GB 50011—2010，建筑抗震设计规范[S].