多箱组合连续梁桥抗震分析及优化

刘志华

（山西省交通科学研究院 桥梁工程防灾减灾山西省重点实验室，山西 太原 030006）

0 引言

地震作为威胁人类的一大自然灾害，高强度的地震往往释放出巨大的地震能量，造成地表和人为工程的大量破坏，如建筑物倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等等，严重危及人民生命和财产的安全。而且，地震的直接灾害发生后，还会引发众多的次生灾害。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失，比直接灾害还大。倘若桥梁工程遭到严重破坏，发生断裂和垮塌，就会切断震区的交通生命线，造成救灾工作困难，加重次生灾害。因此，桥梁的抗震防灾工作显得极为重要[1-2]。

近年来，国内外众多科研人员对桥梁结构的抗震问题进行了深入研究，提出了地震作用分功能设计和安全设计两个等级设计的思想，并采用减振、隔震等有效的措施实现了二者的统一。如同济大学的李建中等[1]针对多跨连续梁桥，对其减隔震体系进行了优化设计研究。宗周红等[3]对高墩桥梁以及减隔震措施等进行了抗震研究，并对部分相关影响参数进行了研究。本文以临汾环城一级公路汾河大桥引桥——多箱组合连续梁桥为工程背景，对其地震效应进行分析研究，并在抗震性能分析结果的基础上，对该桥抗震设计方案进行优化设计，改善了桥梁的抗震性能[4-5]。

1 结构分析模型及地震动输入

1.1 结构分析模型

本文对临汾市环城一级公路汾河大桥引桥的最不利跨按B类抗震设防目标进行抗震分析。为四跨连续的（4×35 m）多箱组合连续梁桥。该桥由于单幅桥宽达17 m，因此设计中每幅桥面采用6片跨径35 m小箱梁组合而成，下部结构采用钢筋混凝土三柱式桥墩、钻孔灌注桩基础。墩高均在为13～14 m之间；除两个边墩的桥墩直径分别采用1.6 m、2.6 m，其余墩直径均为1.4 m。支座则采用公路桥梁盆式橡胶支座GPZ（Ⅱ）系列产品。图1、图2所示分别为该桥的桥型布置图和支座布置图。本桥桥址区自然地面以下5 m深度内①层细砂有液化可能，根据《中国地震动参数区划图》，桥址所在地区地震动加速度峰值为0.20g，地震基本烈度（即抗震设防烈度）为Ⅷ度。

图1 第四联桥型布置图

采用SAP2000非线性有限元分析软件建立汾河大桥先简支后连续小箱梁部分的空间杆系模型（如图3所示），三维梁单元模拟主梁和桥墩；连接单元模拟支座；对于桩基础，采用考虑桩-土相互作用的集中弹簧模型来模拟对本桥进行地震效应分析。

图2 支座布置图

图3 结构分析模型

1.2 地震动输入

汾河大桥工程场地地震安全性评价报告给出的场地类别为Ⅲ类场地，工程场地50年超越概率63%（重现期50年）、10%（重现期475年）、2.5%（重现期约2 000年）的水平地震影响系数和水平向设计反应谱模型常数（阻尼比0.05），详见表1。

表1 设计反应谱模型常数（阻尼比0.05）

地震设计反应谱以地震影响系数α(T)形式表述（地震影响系数为用g归一的加速度反应谱）。标准形式的场地相关地震影响系数α(T)其表达式为：

式中：Amax为水平峰值加速度；αmax为α（T）的最大值，T1和Tg（特征周期）为α（T）的折点周期；γ为衰减因子。根据《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01—2008，本桥在E1地震作用下地震水平抗震重要性系数Ci=0.5（对应的地震动重现期约为50～100年）；在E2地震作用下抗震重要性系数Ci=1.7（对应的地震动重现期约为475～2 000年），得到分析输入E1、E2地震作用时的水平设计加速度反应谱（如图4、图5所示）。

图4 E1地震作用时的水平设计加速度反应谱

图5 E2地震作用时的水平设计加速度反应谱

在地震效应分析中，作用效应组合应包括1.0×永久作用效应+地震作用效应，组合方式包括各种效应的最不利组合。其中“永久作用”包括结构重力（恒载）、预应力、土压力、水压力。“地震作用”包括地震动的作用和地震土压力、水压力等。在地震效应分析中，均考虑了竖向地震分量和水平向地震分量的组合，组合的原则为：，EX、EY、EZ分别表示水平向和竖向地震作用产生的最大效应。其中竖向分量取值为0.333倍的水平分量，以下各结果数据中所涉及的“横竖”、“纵竖”均是按照这一原则组合的地震动输入[6]。

2 地震效应分析

本文采用反应谱法对桥梁进行了地震效应分析，分析结果见表2。

表2 E1地震作用下桥墩内力

表3 E1地震作用下桩内力

表2和表3分别为桥墩和桩基础在E1地震下的内力，由表2和表3可以看出，除10号墩桥墩外，其他桥墩和桩基按照正常的配筋率完全满足抗震要求。但是，由图2可知，由于纵桥向仅在10号桥墩处对主梁有约束作用，所以在纵向地震作用下，10号桥墩和相应的桩地震效应明显大于其余桥墩，因此其配筋率明显高于其余桥墩，抗震设计不够合理。

表5 E2作用下支座位移

08抗震设计细则中规定，桥墩在E2地震作用下桥墩允许进入弹塑性，但支座必须满足承载力和变形能力要求，防止发生落梁灾害发生。表4和表5为支座在E2作用下的地震效应，可以看到，在E2地震作用下，由于盆式支座定向性造成其都不能满足承载能力和变形的要求，在高强度地震的作用下支座将会破坏，甚至引发落梁灾害。需要对桥梁的抗震设计方案进行优化，改善其抗震性能，使其能够抵御设计地震[7]。

3 抗震设计方案优化

本文在原桥梁抗震设计方案的基础上，进行了抗震方案优化设计。具体方案为：将盆式支座更换为延性好、刚度小、抗震性能较好的天然橡胶支座。8和12号墩采用面积为350 mm×350 mm的矩形天然橡胶支座；9～11号墩采用面积为520 mm×520 mm的矩形天然橡胶支座。对优化后的桥梁结构进行地震效应分析，并就两种抗震设计方案的计算分析结论进行对比。

表6 E1地震作用下桥墩内力（优化设计后）

表7 E1地震作用下桩内力（优化设计后）

表6和表7分别为优化设计后桥梁E1地震作用下的地震效应，与表2和表3相比，抗震设计优化后，桥梁整体横向刚度降低，横向周期延长，各墩和桩的横向地震效应有不同幅度的降低。从中还可以看出，采用减隔震天然橡胶支座以后，所有的桥墩均承受纵向水平地震效应，10号桥墩的地震效应大幅降低，墩底弯矩和剪力都减小到原方案的48%，由所有的桥墩共同承受纵向地震效应，改变了原抗震设计纵桥向只有10号墩承受地震效应的不利状况，桥梁结构整体受力更为合理，10号墩柱不必再进行特殊设计，可完全采用与其他墩柱相同的配筋率进行设计来满足抗震性能的要求。

表8 E2地震作用下天然橡胶支座地震效应

表8为支座在E2地震作用下的地震效应，对比表4和表5可以看出，通过桥梁结构的抗震优化设计时各个支座的变形和受力更为均衡，支座地震效应明显减小，所有支座均满足变形能力的要求，降低了地震中支座破坏、落梁的风险。

4 结语

本文以临汾环城一级公路汾河大桥多箱组合连续梁桥为背景，对地震效应进行了分析，进行了抗震性能对比研究，结合桥梁结构特点提出了抗震优化设计方案，并得出如下结论：

a）通过地震效应的分析，原设计采用普通盆式橡胶支座，纵向只设置了一个制动墩，造成该墩承受了大部分的纵向地震力，地震效应大大高于其他桥墩，桥梁结构受力明显不合理，而且盆式橡胶支座无法满足Ⅷ度地震作用时所要求的承载能力和变形能力的要求，在高强度地震中将发生支座破坏，甚至引发落梁震害。

b）针对原设计方案中支座类型及布置方式不合理，造成结构受力不够合理的缺陷，提出采用延性大、刚度小、抗震性能较好的天然橡胶支座作为桥梁减震措施的抗震优化设计方案，经计算及对比分析，桥梁结构的地震效应被弱化，整体抗震性能明显提高，完全满足抗震性能要求。

c）所采用天然橡胶支座改善多箱组合连续桥梁的抗震性能，具有一般性，可以为混凝土连续梁桥抗震设计提供经验。