高烈度区常规梁桥抗震分析

张科峰

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

我国位于世界两大地震带之间（环太平洋地震带与欧亚地震带），是一个地震多发国家之一。2008年的汶川大地震造成数十万人的伤亡，直接经济损失8万多亿元，为我国成立以来破坏性最强、波及范围最广、伤亡人数最多的地震之一，至今依然深深地刺痛着每一个国人的心灵。随着经济的快速增长，越来越多的高等级公路不可避免地要经过一些高烈度地区，作为抗震救灾、震后重建的生命线工程中的枢纽——桥梁，其抗震性能就显得尤为突出。

简支转连续梁桥以其施工方便、造价低廉等优势，在山西高速中占有重要的地位，此类桥梁中双柱式墩又是最常见的形式。然而目前，对于此类量大面广桥梁的抗震研究却并不多见，但地震对于此类桥梁的破坏却是巨大的，强震下有些甚至造成毁灭性的破坏，给人民生命财产造成无法挽回的巨大损失。本文以省内某高速上的一座大桥为例，采用Midas有限元分析软件建立空间模型，并结合《公路桥梁抗震设计细则》（JTGT B02-01—2008）（以下简称 08细则），对该桥进行抗震分析，其计算方法与结果可供同类桥梁抗震设计参考与借鉴。

1 项目概况

该桥位于某国高网山西境内高速上的一座大桥，上部结构采用部颁10×30 m先简支后连续预应力混凝土箱梁，下部结构采用1.6～1.8 m和1.6～1.8～2.0 m柱式墩，最大墩高30 m，主筋分别为36φ28和40φ28，箍筋采用φ12螺旋筋，在墩顶、墩底4 m范围间距10 cm，其余区段间距15 cm。桥台及分联墩处为四氟板滑动支座，其余各墩均采用板式橡胶支座。桥台采用肋板台，工字型承台下接4根直径1.5 m钻孔灌注桩基础。桥梁设计荷载为公路—Ⅰ级，桥面净宽2×11.75 m。

2 有限元模型

为充分考虑邻跨桥梁的约束影响，采用Midas建立全桥三维模型。上部结构采用能够反映上部质量分布和刚度特性的简化空间梁单元模拟[1]，联间伸缩缝采用一般连接模拟，板式橡胶支座采用弹性连接，其剪切刚度按式（1）计算：

桩基考虑桩土效应，以等代土弹簧模拟，其刚度k=abpmZ[2],式中a为土层厚度，bp为桩基计算宽度[3]，m取2.5倍m静，Z为土层深度，全桥三维模型如图1所示。

图1 全桥有限元模型

3 动力特性计算

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，该桥地震动峰值加速度0.2g，抗震设防烈度为8度，特征周期0.35 s，地质详勘报告中桥位处场地类别为Ⅲ类。根据08细则本桥属于B类规则桥梁，结构阻尼比取0.05。结构基本周期为2.319 s，基频为0.431 Hz，桥梁前10阶模态结果如表1所示。模型考虑120阶振型，参与质量分别为顺向：96.05%，横向：95.78%，满足规范要求90%以上有效质量要求[4]。典型振型图如图2所示，一阶振型为顺桥向平动，说明本桥纵向抗推刚度较弱。

表1 前10阶频率及周期

图2 一阶振型（顺桥向平动）

4 反应谱分析

根据08细则6.1.4条规定，本桥E1、E2采用反应谱进行抗震分析，相关参数如表2所示，谱曲线如图3所示。

表2 设计加速度反应谱参数表

图3 水平设计加速度反应谱

4.1 E1作用下验算

根据以往经验，地震作用下主梁发生破坏的情况较少，而桥梁下部结构及基础的损坏最为常见。因本桥桩基、支座按能力保护构件验算，因此本桥E1地震作用下仅对桥墩进行强度验算。荷载组合：E1地震作用+永久作用，组合后按规范[5]对桥墩进行强度验算，结果如表3所示，地震效应采用CQC法计算。

表3 E1桥墩强度验算结果

4.2 E2作用下验算

根据08细则，E2地震作用下，规则桥梁需进行位移验算和能力保护构件验算，模型中延性构件的有效截面抗弯刚度按公式6.1.6进行了调整。鉴于篇幅本文仅对墩身和桩基进行能力保护构件验算。

4.2.1 位移验算

由于本桥均为双柱式墩，横桥向墩顶容许位移应用pushover法求解较方便[6]，但本桥横向桥墩仍处于弹性状态，所以均能满足规范要求。纵向墩顶位移按规范7.4.6条计算，等效屈服曲率和极限破坏曲率由M-Ф曲线确定，结果见表4。

表4 E2纵向墩顶位移验算结果 m

4.2.2 能力保护构件验算

4.2.2.1 桥墩抗剪验算

经计算本桥横向仍处于弹性阶段，故只对本桥顺向塑性铰进行抗剪强度验算。对各墩底塑性铰是否进入塑性判断如表5。

表5 塑性铰区域弹塑性状态 kN·m

由结果可知，本桥纵向除1号墩外，其余各墩塑性铰均未进入塑性。1号墩塑性铰抗剪验算按规范7.3.4、6.8.2 条执行号墩墩底M-Ф曲线如图4所示，经计算1号墩墩底塑性铰区域Vc0=665 kN，，塑性铰抗剪强度满足规范要求。

图4 1号墩墩底M-Ф曲线

4.2.2.2 桩基验算

桩基础作为能力保护构件，在E2地震作用下应保证在弹性范围，即桩基最大弯矩应小于等于等效屈服弯矩Meq。由计算结果可知，全桥各墩纵、横向最大弯矩均小于等效屈服弯矩，所以桩基满足规范要求。

表6 E2地震作用下桩基验算

5 结语

08细则采用两级设防、两阶段设计思路，相比老规范单一水准强度抗震设计增加了延性设计，并引入能力保护设计原则，可概括为：小震不坏、中震可修、大震不倒。本文依据该细则对山岭丘陵地区常见的双柱式连续梁桥进行抗震分析，计算结果表明该桥在E1地震作用下满足弹性要求，在E2地震作用下桥墩塑性铰区域抗剪强度及墩顶位移均满足规范要求，验证了该桥在地震作用下的安全性，其计算方法及结果也可为同类桥梁抗震设计提供参考。