中小跨径桥梁抗震计算

董 宏 昌

(中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075)

中小跨径桥梁抗震计算

董 宏 昌

(中交通力建设股份有限公司，陕西 西安 710075)

以某实际工程为例，通过阐述桥梁设计标准及设防目标，对中小跨径桥梁进行了抗震分析与计算，并对计算结果进行了讨论，对同类桥梁抗震设计有一定的借鉴作用。

桥梁，抗震计算，计算模型，地震力

1 概况

1.1 工程概况

某高速公路全线布设大中桥共计18座，桥梁上部结构均采用跨径20 m～30 m装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁，下部结构桥墩采用双柱式桥墩，桥台采用重力式U台、柱式台或肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。项目区地震烈度为7度，地震动峰值加速度为0.1g。

选取其中一座桥梁进行抗震计算，上部结构采用6孔30 m装配式预应力混凝土先简支后连续箱梁，3孔一联，全桥共分2联；下部结构采用双柱式桥墩、钻孔灌注桩基础，0号桥台采用U台、扩大基础，6号桥台采用台阶式桥台，置于基岩上。全桥采用板式橡胶支座。半幅桥梁宽度为：0.5 m(防护栏)+11.15 m(桥面净宽)+0.5 m(防护栏)。桥型布置图见图1。

1.2 桥梁设计标准

设计速度：80 km/h。

荷载等级：公路—Ⅰ级。

桥梁宽度：整体式路基宽24.5 m，分上下行两幅，单幅桥梁宽

度为12.25 m。

桥面铺装：采用10 cm厚沥青混凝土+8 cm厚整体化混凝土。

抗震设防类别：B类，即抗震重要性系数E1地震下取0.5，E2地震下取1.7。

地震动参数：设计基本地震动加速度取0.1g；场地类别Ⅱ类，反应谱特征周期0.45 s。

抗震设防措施等级：8度。

1.3 抗震设防目标

依据《公路桥梁抗震设计细则》，桥梁抗震设防目标：

1)E1地震作用下一般不受损伤，不需修复即可继续使用；

2)E2地震下不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用。

2 抗震计算

2.1 抗震分析

中小跨径预制装配式桥梁的震害主要表现在桥梁下部结构，包括桥墩、桥台、基础、支座和支挡结构，上部结构移位、落梁等震害也是源于下部结构的震害。所以，中小跨径桥梁抗震计算主要是下部结构的计算。

在地震力作用下，通常桥台的破坏是由于上部结构在横向水平力和纵向水平力作用下导致挡块破坏和背墙破坏。一般情况下桥台刚度相对桥墩大很多，桥台承担的水平地震力比桥墩大。尤其对于单跨桥和跨数较少的桥梁，地震中桥台对梁体的约束作用更明显。在通常情况下桥台损伤后的临时修复和抢修相对也比较容易，因此允许桥台背墙、挡块、锚栓在较大地震力作用下失效，桥台退出工作，要求桥墩能承受全部地震力以及适应地震变形。因此中小跨径桥梁桥台不是抗震设计的重点，抗震设计的重点是桥墩。

墩柱设计是中小跨径桥梁抗震设计的重点。因为它是关键性的抗震单元，对桥梁安全影响重大。墩柱设计主要考虑两方面：第一是正截面强度，与此相关的主要是墩柱截面尺寸和纵向钢筋。第二是塑性铰延性，与此相关的主要是箍筋。

在地震过程中，如果基础发生损伤，往往难以发现并且维修困难。因此要求采用能力保护设计原则来进行基础计算和设计，以保证基础在达到它预期的强度之前，墩柱已超过其弹性反应范围。

通过以上分析，中小跨径桥梁抗震计算主要包括以下内容：

1)E1地震作用下桥墩抗弯强度验算。

2)E2地震作用下墩顶位移验算。

3)E2地震作用下能力保护构件验算。

2.2 建立计算模型

采用MIDAS/CIVIL桥梁专用模块空间有限元软件对该桥进行抗震计算，由于桥梁为上下行双幅桥，上下幅桥梁对称，结构在中央分隔带处断开，因此只需计算其中一幅桥梁。

模型建立时考虑桩侧土体作用，通过试算比较，采用在桩顶下3倍桩径处桩底固结，整体模型刚度能够有效模拟桩土共同作用后结构的刚度。

按照该桥梁实际设计中的各梁段块件的划分进行桥梁有限单元划分，分别考虑不同的上下部构造尺寸和纵向高差等因素建立整体计算模型，建模依照《公路桥梁抗震设计细则》6.3条的规定进行，考虑了基础刚度、支座刚度和P—Δ效应，顺桥向和横桥向地震作用分别考虑。

计算模型见图2。

2.3 计算方法

本桥抗震设防类别为B类，属于规则桥梁，在E1和E2地震作用下均采用多振型反应谱法计算；取前40阶振型，各模型在顺桥向和横桥向的累计振型质量均超过90%；振型组合采用CQC法。

建筑场地类别为Ⅱ类。地震基本烈度为7度，地震动峰值加速度0.10g。地震动反应谱特征周期为Tg=0.45 s。

水平设计加速度反应谱最大值：Smax=2.25CiCsCdA。

其中，Ci为抗震重要性系数：E1地震作用为0.5，对应的设计

地震动重现期为100年，E2地震作用为1.7，对应的设计地震动重现期为2 000年；场地系数Cs=1.0；结构的阻尼比为0.05，阻尼调整系数Cd=1.0；水平向设计基本地震动加速度峰值A=0.1g。

2.4 计算结果

1)墩柱计算。

墩柱计算是根据E1地震下的内力验算正截面强度，根据E2地震下的位移或变形验算潜在塑性铰的转动能力，表现为墩顶位移，抗剪强度根据能力保护原则计算。

经计算E1地震不控制设计，各项结构受力性能均满足规范要求。桥梁下部主要为E2地震作用下控制，因此仅列出E2地震作用组合计算结果。计算结果见表1和表2。

表1 内力计算结果

表2 位移计算结果

2)基础计算。

采用能力保护设计原则进行基础计算，根据桩基的抗弯能力验算强度。计算结果见表3。

表3 内力计算结果

3)通过计算桥梁满足抗震要求，能达到抗震设防目标。

[1] JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

Seismic calculation and small-medium span bridge

DONG Hong-chang

(ChinaTrafficTongliConstructionCo.,Ltd,Xi’an710075,China)

Taking the actual engineering as an example, through describes the bridge design criteria and fortification target, the article carries out seismic analysis and calculation of the small-medium span bridge, and discusses the calculation results, which has certain guiding meaning for similar bridge seismic design.

bridge, seismic calculation, calculation model, seismic force

1009-6825(2014)11-0164-02

2014-01-07

董宏昌(1968- )，男，高级工程师

U442.55

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