县东路泾河桥引桥抗震设计研究

杨根源，吕一新，徐百成，宫玉明

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710068）

1 桥梁概况

县东路泾河大桥位于陕西省西咸新区泾河新城内，本桥横跨泾河，为连接西咸的快速通道。泾河桥全长1299m，共分9联，跨径组合为：北引桥（2×（4×30m）+（35m+50m+43m）+3×（4×30m）+6×30m）+主桥（120m+120m）+南引桥（48m+50m+48m），主桥结构体系为120m+120m独塔双索面预应力砼斜拉桥；引桥结构体系为现浇预应力砼连续梁，下部桥墩采用双柱式弧形桥墩，桥台采用扶壁台，基础均为桩基础。泾河桥引桥鸟瞰图如图1所示。

图1 泾河桥引桥鸟瞰图

2 主要技术标准

泾河桥道路等级属城市快速路，双向8车道，设计速度60km／h，汽车荷载为城—A级；北引桥桥面宽为52.5m，南引桥桥面宽为59.5m；桥梁地震动峰值加速度为0.2g，地震基本烈度8度，抗震设防措施等级为9度；本桥设计安全等级为一级，结构重要性系数取1.1。

3 抗震计算

3.1 性能设计目标

泾河桥引桥为城市快速路上的桥梁，工程场地位于地震动峰值加速度0.20g区（相当于地震基本烈度Ⅷ度）和反应谱特征周期0.40s区，场地类别为Ⅱ类。依据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166—2011）（以下简称“抗震规范”），该桥属于乙类桥梁，应采用A类桥梁抗震设计方法。在E1地震下（50年超越概率10%），引桥结构在弹性范围内工作，构件基本无损伤；在E2地震下（50年超越概率2.5%），引桥主梁、桥墩、基础可发生有限损伤，经抢修可恢复使用，永久性修复后恢复正常运营功能。

3.2 桥梁抗震耗能体系和抗震分析方法

因本桥桥面超宽达59.5m，上部主梁自重大；下部平均墩高11m，其自身刚度较大。在高地震烈度下，用墩柱硬抗很难通过，从延长结构周期、消耗地震能量、降低结构地震响应考虑，本桥结构采用Ⅱ型抗震耗能体系，支座选用具有减隔震功能的HDR高阻尼隔震橡胶支座及减隔震球型钢支座。支座平面布置图如图2所示。

图2 支座平面布置图

本桥采用减隔振设计，属于非规则桥梁，依据抗震规范，本桥可只进行E2地震作用下抗震设计和验算，且在E2地震作用下，非规则桥梁应采用非线性时程计算方法。

3.3 结构模拟

本次计算应用MIDAS2010通用有限元程序，建立了桥梁的空间有限元模型，进行了动力特性分析、反应谱分析和非线性时程分析。桥梁结构（见图3）模拟概况如下：

a）梁、柱采用空间杆单元，用集中质量代表单元质量，进行非线性时程分析时，墩柱采用钢筋砼弹塑性空间梁柱单元；

b）HDR抗震支座采用铅芯橡胶支座隔震装置模拟，减隔震球型钢支座采用弹簧模拟；

c）混凝土结构阻尼比采用0.05，时程分析采用瑞利阻尼；

d）考虑桩土的共同作用，采用有效长度嵌固法模拟；

e）对于典型结构边界条件的影响分别采用桥墩或桥台模拟；

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f）不考虑伸缩缝处纵向连梁装置的约束作用和相邻梁端的纵向碰撞效应。

图3 桥梁结构图

3.4 地震动参数

依据泾河桥地震安全性评价报告，本桥桥址处10%、2.5%概率水平地震动持时分别为30s、32s，人工波时程间隔0.02s；10%、2.5%概率水平地震动峰值加速度Amax分别为0.239g、0.375g；10%、2.5%概率水平水平设计加速度反应谱Smax分别为0.598、0.938，Tg分别为0.45s、0.6s。

3.5 动力特性

动力特性是进行桥梁抗震性能分析的基础。一般情况下，结构的前几阶自振频率和振型起控制作用，计算中，为保证计算精度，采用了150阶以上的振型，在计算方向的累计有效质量达95%以上。通过分析结构动力特性，得出以下结论：

a）本桥平面扭转振型在前3阶出现，耦合作用显著，时程分析时应同时输入X向水平地震波和Y向水平地震波；

b）前3阶振型是引桥的基本模态，主要振动形式是上部结构的平动和扭转；

c）上部结构和耗能构件（支座）相同的模型，桥墩较高的结构，墩柱刚度相对较小，可产生较大的柔性变形，能够消耗更多的地震能量，延长自振周期。

现列举4×30m跨径模型前4阶计算结果如下：

a）动力特征值 前4阶动力特征值如表1所示；

表1 前4阶动力特征值

b）基本模态 1阶顺桥向平动模态如图4所示，2阶横桥向平动模态如图5所示，3阶水平扭转模态如图6所示。

图4 1阶顺桥向平动模态

图5 2阶横桥向平动模态

图6 3阶水平扭转模态

3.6 墩柱状态

根据抗震规范第7.3.8条，截面的等效屈服曲率φ和等效屈服弯矩M可通过等效的理想弹塑性弯矩—曲率曲线求得。现列举4×30m跨径M—φ曲线如下：其中顺桥向M—φ关系见图7，横桥向M—φ关系见图8。

图7 顺桥向M—φ关系图

图8 横桥向M—φ关系图

E2地震作用下，墩柱顺桥向、横桥向最大弯矩均小于相应的屈服弯矩，即墩柱处于弹性受力阶段，开裂但未发生屈服。

4 构造措施

本桥桥址处地震基本烈度Ⅷ度，地震等级高。为了提高桥梁结构的抗震能力，除采用减隔震设计外，还采用了防落梁、减小冲击力等抗震措施。具体构造措施如下：

a）在箱梁底部设置横向防撞挡块，挡块与桥墩间隙按介于E1、E2地震梁与墩横向相对位移之间控制；

b）在各联联端两箱梁端横梁之间、箱梁与桥台背墙、主引桥过渡墩处设置钢绞线拉索防止落梁装置；

c）在各联联端箱梁腹板处设置2 片400mm×400mm×20mm的橡胶缓冲块，每个箱梁端部共12片；

d）因采用减隔震支座，地震时桥梁上部相邻各联间位移增大，伸缩缝的伸缩量要相应提高；

e）适当增加墩柱塑性铰区域的配箍率，提高了墩柱延性，使塑性铰区作为潜在的耗能部位。

防落梁装置布置如图9所示。

图9 防落梁装置布置图

5 结语

本桥设计时引用了减隔震的设计理念，有效地改善了桥梁在地震作用下的受力状况。综合分析本桥各联不同跨径、不同墩高组合的抗震计算结果，梁桥的减隔震设计有如下特点：

a）在地震等级较高，桥墩刚度较大的情况下，采用减隔震支座，能有效的减小桥梁下部受力；

b）减隔震设计在降低结构地震响应，改善桥梁下部受力的同时，会增加桥梁上部与下部间的相对位移，对此设计时必须采取合理的构造措施消除较大位移产生的不利影响；

c）减隔震设计所采用的高阻尼橡胶支座、防落梁装置等构件在构造上对箱梁及墩台结构尺寸要求较高，拟定构件尺寸时须充分考虑。

[1]叶爱君，管仲国.桥梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2]顾安邦.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2000.

[3]同济大学.城市桥梁抗震设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4]重庆交通科研设计院.公路桥梁工程抗震设计细则[M].北京：人民交通出版社，2008.