金水路打通工程高架桥梁抗震分析

岳章胜，张厚民，蒋海军，张鲁明

(1.青岛市政工程设计研究院,山东青岛 266071;2.中南工程咨询设计集团，湖北武汉 430071)

1 工程概述

金水路是贯穿青岛市李沧区东西向的交通大动脉，桥梁工程西起环湾大道，向东跨越青岛火车北站、安顺路、既有胶济铁路及四流路后落地，全长2.1 km。环湾大道至四流路段地表覆盖有10 m左右的建筑垃圾，表层垃圾土沉积将近10年，为中软土，属抗震不利地段。本文选取跨径组合为35+40+35=110(m)的标准联为例进行抗震分析。标准联桥宽25 m，采用单箱三室的预应力混凝土连续箱梁，梁高2.2 m，支座采用QZ球形支座，横向设置两排桥墩，横桥向间距5 m，桥墩采用2 m×2 m的Y型墩，墩高10 m，承台尺寸为3 m（横向）×6.3 m(纵向)×2.5 m(高),每个承台下设置2根直径1.5 m的桩基，桩基嵌入中风化安山岩不小于1.5 m。由于两个桥墩承台间有管线通过，无法设置承台间的横向连系梁，基础横向刚度小，因此，有必要对此种情况下的桥梁结构进行抗震验算。

2 计算模型及主要参数

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规范附录A之规定，青岛市区抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值0.05 g，属设计地震分组第三组，桥位处场地为Ⅱ类，设计特征周期0.45 s。承台底0～7 m深地基土主要为建筑垃圾，7～11 m深地基土为淤泥质黏土，11～15 m深地基土为强风化安山岩，15 m以下为中等风化安山岩。

根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）可知该桥梁属于B类，对于6度区，仅需利用反应谱法进行E1地震作用下的抗震验算，并满足相关构造和抗震措施的要求即可[1]。本文按照规范要求仅进行E1地震作用下多振型反应谱分析。建模采用MIDAS/civil软件，上部结构采用单梁模型，下部结构采用空间杆系模型，桩与土的相互作用采用土弹簧进行模拟，弹簧刚度计算按照《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63—2007）进行，并考虑了2.5的动力系数。

3 计算图式

该桥的动力特性分析采用空间结构计算图式[2]，由于截面为箱型，故采用单主梁模型，桥墩按实际尺寸模拟。该桥计算考虑三种工况。工况一：每个桥墩下顺桥向设置两排、横桥向设置一排直径为1.5 m的桩基，桥墩与桩基通过2.5 m厚的承台连接 ,两个桥墩承台不相连。工况二：每个桥墩下顺桥向设置两排、横桥向设置一排直径为1.5 m的桩基，桥墩与桩基通过2.5 m厚的承台连接，两个桥墩承台间通过1.5 m×1.5 m钢筋混凝土系梁相连。工况三：两个桥墩共用一个承台，承台尺寸为 6.3m(顺桥向)×8.0 m(横桥向)×2.5m(厚),承台底顺桥向设置两排、横桥向设置两排直径为1.5 m的桩基。详见图1～图3。

3.1 墩梁约束模拟

抗震计算模型考虑上下部的共同刚度，支座和桥墩刚度串联计算。盆式支座固定方向刚度可视为无限大，取DX=DY=DZ=10 000 000 kN/m，支座活动方向释放约束。

3.2 桩基约束模拟

桥梁抗震分析模型考虑桩土的共同作用，桩土的共同作用采用等代土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度采用表征土介质弹性值的m参数来计算[3]：

图1 不同工况基础结构形式图(单位：cm)

图2 全桥模型

图3 设计反应谱

式中：a为土层厚度；b为该土层在垂直于计算模型所在平面的方向上的宽度；z为土层深度；m为土层水平抗力系数的比例系数，m动=2.5 m静。

4 动力分析结果

4.1 不同工况下桥梁结构动力特性分析

从表1～表3中可以看出，由于桥梁主梁刚度相对较大，前三阶振型均反应出以桥墩变形为主的振型。工况1由于承台间没有拉结，基础横向刚度较弱，第一阶振型为桥墩横向弯曲；工况2和工况3由于承台的相互连接，第一阶振型均为以桥墩纵向变形为主[4]。基础连接的加强对桥梁的纵向自振周期影响较小，从工况一的1.683 4 s逐渐变化到工况三的1.652 8 s；对桥梁的横向周期影响很大，从工况一的2.653 s逐渐加大到工况三的0.986 6 s。

表1 工况一成桥状态动力特性

表2 工况二成桥状态动力特性

表3 工况三成桥状态动力特性

4.2 不同工况下地震作用内力及位移

对三种不同工况下进行了E1地震反应谱分析（见表4、表5），计算结果表明：制动墩根部的顺桥向弯距从工况一的4 987 kN·m到工况三的5 088 kN·m，变化很小；而横桥向弯距从工况一的1 647 kN·m到工况三的4 562 kN·m，弯矩增大明显；承台及墩顶位移在顺桥向地震作用下最大位移变化不大，而横桥向位移显著减小。

4.3 抗震能力验算

对于城市普通预应力混凝土连续箱梁高架桥，抗震主要构件为墩和桩，这些构件在地震作用下以弯曲变形为主，其抗弯能力是抗震控制因素。因此，主要对桥墩及桩基础进行验算（见表6）。

表4 三种工况下E1地震内力（制动墩）

表5 三种工况下E1地震内力（活动墩）

表6 E1地震内力桥墩及桩基承载力验算

5 结语

本文通过对处于抗震不利地段的城市高架桥进行了动力特性分析和地震反应谱分析，对城市高架桥的抗震特性有了比较全面的了解。计算结果说明，对处于抗震不利地段的高架桥而言，一般位于软弱覆盖土层区域，处于地表附近的桩侧土对桩基的约束能力不足，在有条件情况下设置群桩基础或通过设置承台间的横系梁可使桥梁结构振型合理、规则，能显著减小地震作用下的横向内力和位移，而对桥梁纵向地震作用下的内力和位移影响不大。然而，对处于6度区的高架桥梁，由于条件限制无法设置承台间的横系梁时，在E1地震作用下，桥梁的抗震能力也能满足规范的相关要求。

[1]范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1996.

[2]JTJB02—2013，公路工程抗震规范[S].

[3]CJJ 166—2011，城市桥梁抗震设计规范[S].

[4]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社，1996.