大型城市立交地震响应分析

■宋 丹，田小红 ■.西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 70068;.西安理工大学，陕西 西安 70054

随我国城镇化发展，城市交通问题愈来愈突出，解决有效手段是城市立交建设。立交桥梁作为连接交通运输枢纽，是生命线工程，一旦遭受地震破坏，不但导致直接经济损失，也为震后救援以及重建工作带来不便而导致二次损失。因此立交桥梁抗震研究有十分重要。

目前城市桥梁抗震设计已从弹性设计阶段向延性设计方向发展，而规范对规则桥梁给出简化分析方法，但对不规则桥梁并没有给出具体规定。本文从实际工程出发，以某工程为例，详细介绍城市立交异形桥梁延性分析过程，对不规则桥梁抗震性能进行分析，可为类似结构设计计算提供参考。

1 概述

某大型立交桥为三层部分互通式立交，由主线桥和三个匝道桥组成，其主线桥均为预应力混凝土现浇连续箱梁，跨径25～30 米左右，梁高1.6m;桥面宽度25.5～32.5 米，采用双箱多室直腹板箱梁。匝道桥均采用20 米左右钢筋砼结构，梁高1.4 米，桥面宽度8 米。立交桥下部桥墩采用直径1.5m 圆柱墩，基础采用钻孔灌注桩基础，桩径1.5 米。计算选取其具有代表性东西主线桥第四联进行抗震计算，桥墩高度5～8.3 米。第四联桥梁平面布置和横断面布置详见图1 和图2。

图1 桥梁平面布置图

图2 桥梁横断面布置图

2 抗震设防水准及性能目标

据《城市桥梁抗震设计规范》(CJJ166-2011)，城市桥梁采用两水准设防、两阶段设计思想进行抗震设计，据规范，本桥为乙类桥梁，第一阶段(E1 地震作用)抗震设计，采用弹性抗震设计;第二阶段(E2 地震作用)抗震设计，采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。

3 计算方法和有限元模型

计算采用MIDAS Civil 空间有限元程序建立第四联模型，并考虑相邻两联对第四联影响。建模原则是保证正确反映桥梁上部结构、下部结构、支座和地基刚度、质量分布及阻尼特。板式橡胶支座采用弹性连接来模拟主梁和桥墩的相互作用，基础采用弹性地基模拟桩基础。计算方法E1 作用采用多振型反应谱法，E2 作用采用弹塑性时程分析法。

图3 计算模型

4 地震动输入

该桥位处地震动抗震设防烈度为8 度，水平向设计基本地震动加速度峰值A=0.2g，场地类别为Ⅲ类，特征周期:Tg=0.45，本计算采用双指标控制和相关系数较小原则，选取选取1940，El Centro Site，270 Deg、1952，Taft Lincoln School，339 Deg、1994，Northridge，Santa Monica，City Hall Grounds，0 Deg 三条实录波作为时程分析用地震波。

图4 El Centro 波

图5 Taft 波

图6 Northridge 波

5 地震反应分析

5.1 E1 作用计算

E1 作用计算采用多振型反应谱法，在E1 地震作用下，桥墩作用效应均小于设计承载能力，满足规范规定的在E1 地震作用结构不受损坏要求。具体计算结果因篇幅限制，不再列出。

5.2 E2 顺桥向地震作用

图7 11#东侧桥墩墩底截面弯矩曲率滞回曲线

在E2 地震作用下，墩柱允许进入塑性状态，但要求有一定变形能力。本桥在E2 顺桥向地震作铰区塑性变形和容许变形比较用下，除11a#墩和12a#墩未进入屈服外，其余墩均进入屈服状态，11#东侧和西侧墩屈服现象明显，塑性变形相对较大，但仍远小于其容许塑性变形。各屈服墩柱的塑性变形和其允许变形见表1(表中列出三个地震波计算最大值)。

表1 顺桥向地震作用墩柱潜在塑性

图8 11#西侧桥墩墩底截面弯矩曲率滞回曲线

5.3 E2 横桥向地震作用

在横桥向地震作用下，大部分桥墩进入屈服，个别桥墩塑性变形已有一定程度，但仍未达到允许值，结构仍能实现大震不倒。各墩弯距和塑性变形如表2 所示。

图9 12a#桥墩墩底截面弯矩曲率滞回曲线

表2 横桥向地震作用墩柱潜在塑性铰区塑性变形和容许变形比较

5.4 桥墩抗剪验算

=0.85x (0.0023x4.837x15393+3.14159/2x0.1x4.02x150x280/10)=2400kN

E2 地震作用下各桥墩最大计算剪力为1420kN，小于抗剪承载能力，抗剪承载力满足要求。

6 结论

综上，针对本工程城市立交桥进行弹塑性抗震计算，可知在顺桥向地震作用下墩底受力最大，为塑性铰容易出现区域;横桥向在连接墩处，因盖梁门式效应，墩顶和墩底均为出现塑性铰区域。软件采用纤维模型进行塑性铰仿真，可比较真实、直观体现地震力作用下墩柱反应。墩柱通过延性设计来降低刚度、延长周期，抵抗地震力，计算结果表明采用该方法构件均能满足抗震要求。

［1］谢旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］M.J.N.普瑞斯特雷等著，袁万成等译.桥梁抗震设计与加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［3］聂利英.桥梁抗震非线性分析理论研究［D］.上海:同济大学，2002.