常规等宽高架桥的抗震计算分析与验算

游涛

摘 要：文章以市政高架桥中常用的三联等宽标准段箱梁桥为例，对比了反应谱分析、线性时程分析和非线性时程分析三种方法的计算结果，验算了桥墩墩柱及桥墩系梁，结果表明：地震波沿纵桥向输入时，反应谱计算结果和线性时程计算结果较为接近，最大误差在20%以内；非线性计算结果远小于另外两种方法；地震波沿横桥向输入时，三种方法的计算结果较为接近；固定墩作为承担地震力的主要构件，在设计的时候可以适当地加大固定墩的墩柱尺寸及对应的支座竖向承载能力要求；地震动沿横桥向输入时，桥墩系梁为抗震不利段，抗震计算时需重点考虑。

关键词：等宽标准段箱梁；非线性时程；地震力；支座水平力；墩底最大弯矩；桥墩系梁最大弯矩

中图分类号：U448.28 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）16-0020-04

Abstract： In this paper， with the example of standard box girder bridge with equal width commonly used in municipal viaduct， the calculation results of response spectrum analysis， linear time-history analysis and nonlinear time-history analysis are compared， and the bridge piers and pier girders are checked and calculated. The results show that when the seismic wave is input along the longitudinal bridge， the result of response spectrum calculation is close to that of the linear time history calculation， the maximum error is less than 20%， the nonlinear calculation result is much smaller than by the other two methods， and the seismic wave is input along the transverse bridge direction. The calculation results of the three methods are close； the fixed pier， as the main component bearing the seismic force， can appropriately increase the size of the pier and the corresponding vertical bearing capacity requirements in the design of the fixed pier； when the ground motion is input along the transverse bridge， the vertical bearing capacity of the fixed pier can be appropriately increased when the ground motion is input along the transverse bridge. The bridge piers and girders are the unfavorable seismic section， which should be taken into account in seismic calculation.

Keywords： equal-width standard segmental box girder； nonlinear time history； seismic force； horizontal force of support； maximum moment of pier bottom； maximum moment of bridge pier girder

隨着2008年汶川大地震的爆发，人们对桥梁结构的抗震分析及验算越来越看重，特别是人口密集度高的城市快速路高架桥。市政桥梁项目设计周期由于时间紧、任务重，在抗震验算方面，不少设计单位为了应付咨询、审查等，一般采用定性的方法来增加抗震措施，缺乏定量的计算分析，忽略了对桥墩下部结构的抗震验算。本文对城市高架桥常用的现浇预应力混凝土箱梁标准段进行抗震计算分析。

1 工程概况

本文选取城市高架桥常用的现浇预应力混凝土箱梁标准段进行抗震计算分析。桥梁跨径布置为（3×30+3×30+4×35+3×30+3×30）m，桥宽25m，墩高8m。上部结构采用支架现浇预应力混凝土连续箱梁，梁高为2m。下部结构桥墩采用双柱式花瓶墩，墩底截面尺寸为1.6×1.6m，截面主筋配筋率为1.36%；墩顶系梁截面尺寸为1.2×1.3m，截面主筋配筋率为2.01%。基础采用钻孔灌注桩，其中主墩采用8根1.2m桩径群桩基础。支座则采用GPZ（2009）盆式橡胶支座，水平抗力为竖向承载能力的10%。顺桥向均设一个固定支座，M03#、M06#和M09#墩为固定墩。

桥梁位于七度区，根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011），城市快速路高架桥为乙类桥梁，抗震设计方法为A类。同时根据地勘报告，本项目Ⅱ类场地基本地震动峰值加速度为0.10g，场地反应谱特征周期0.40s。根据实测等效剪切波速，场地类别为Ⅳ类，场地调整特征周期为0.75s。

2 反应谱与时程曲线的确定

由于本项目未进行地震安全性评价，故以上述“设计加速度反應谱”为目标，对E1和E2两种设防标准下分别拟合出3组设计加速度时程曲线进行时程分析法，并取计算结果的最大值。

根据《城市桥梁抗震设计规范》计算得到设计加速度反应谱。本次计算不考虑场地地震动峰值加速度调整系数Fa。

对生成的加速度时程曲线，需判断是否与设计反应谱相匹配，根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）第5.3.2条的相关规定，任意两组同方向的时程的相关系数的绝对值应小于0.1。同时，需要将所用的地震波时程曲线转换为反应谱，与规范设计反应谱比对，以两者的吻合度来初步判断拟合地震波的实用性。本桥两种结果均满足规范要求，限于篇幅，结果不一一列出。

3 空间有限元模型的建立

根据总体布置特点及结构构件关键尺寸和参数，并考虑到边界联与主联存在耦连，将对地震响应产生相互影响，本文应用SAP2000软件建立了包括主联、相邻边界联桥的空间动力分析有限元模型，进行地震反应分析。其中主梁、桥墩等均用梁单元模拟，支座利用弹簧单元模拟。对于桩基础，通过集中土弹簧模拟，即根据工程地质报告，采用“m”法，计算各桩基础的等代土弹簧参数。

4 E1作用下箱梁计算结果分析

根据规范验算条文，支座水平力、墩底弯矩的计算结果是桥梁下部抗震设计的主要依据，针对本项目的桥墩方案，还需要关注桥墩系梁的抗震设计。因此，本文提取以上三处反应谱分析、线性时程分析及非线性时程分析计算结果进行比较。为方便比较，假定下部结构均处于弹性状态，由于固定墩处受力最大，限于篇幅，仅列出E1作用下固定墩的计算结果。

4.1 三种分析方法计算结果比较

从表1、2中可以看出，地震波沿纵桥向输入时，反应谱计算结果和线性时程计算结果较为接近，最大误差在20%以内，满足规范要求；非线性时程计算结果远小于另外两种方法，是因为在非线性时程分析时考虑了支座的影响，是由于支座的摩擦力在地震发生时起到耗能作用。

从表3、4、5中可以看出，地震波沿横桥向输入时，三种方法的计算结果较为接近，且计算误差也较小，没有出现非线性时程分析的结果比其他两种计算结果差别很大，主要原因是横向墩柱为双柱墩，刚度较大，横向位移较小，支座摩擦耗能作用有限。

4.2 非线性时程分析的主墩支座最大水平力

从表6中可以看出，支座最大水平力为横向控制，主要原因是横向墩柱为双柱墩，刚度较大，横向位移较小，支座摩擦耗能作用有限。水平力最大的为M06#墩处，原因在于横向水平力几乎全部由1个固定支座来承担，这对抗震来讲是非常不利的，且水平力远远大于设计值，可通过提高支座水平抗力（提高至竖向承载能力的20%）解决。

4.3 非线性时程分析的墩底最大弯矩

从表7中可以看出，最大弯矩出现在纵桥向的固定支座处的墩底，横桥向的墩底弯矩比较均匀，这是因为桥墩采用双柱墩，横向间距小，由于有系梁的存在，相比纵桥向刚度大，使得墩柱能较均匀地受力。

从表6、7中可以看出，固定墩在地震沿纵桥向输入时，会作为承担地震力的主要构件，我们在设计的时候可以适当地加大固定墩的墩柱尺寸及对应的支座竖向承载能力要求。

4.4 非线性时程分析的桥墩系梁最大弯矩

从表8中可以看出，各墩之间的系梁最大弯矩差别很小，原因在于桥墩采用双柱墩，横向间距小，由于有系梁的存在，相比纵桥向刚度大，使得各墩由于竖向力及水平力差异对系梁影响较小。

5 E1作用下抗震验算

根据工程概况中提供的桥墩墩柱配筋及桥墩系梁配筋，验算了在E1作用下的桥墩墩柱及桥墩系梁。

从表9、10、11中可以看出，地震沿纵横向输入时，桥墩抗震验算满足设计要求，但在横桥向输入地震后，桥墩系梁会屈服。

根据规范要求，E1作用下的性能目标为“结构总体反应在弹性范围，基本无损伤，震后可立即使用”。因此对于此类箱梁，桥墩系梁需大幅度增加尺寸。

通过对比可知，地震动沿横桥向输入时，桥墩系梁为抗震不利段，抗震计算时需重点考虑。

6 结论及建议

E1地震作用下，沿纵桥向和横桥向分别输入地震动，按反应谱分析、线性时程分析和非线性时程分析三种方法分别计算支座最大水平力、墩底弯矩及桥墩系梁，得出以下结论：

（1）地震波沿纵桥向输入时，反应谱计算结果和线性时程计算结果较为接近，最大误差在20%以内；非线性计算结果远小于另外两种方法。

（2）地震波沿横桥向输入时，三种方法的计算结果较为接近。

（3）固定墩作为承担地震力的主要构件，在设计的时候可以适当地加大固定墩的墩柱尺寸及对应的支座竖向承载能力要求。

（4）地震动沿横桥向输入时，桥墩系梁为抗震不利段，抗震计算时需重点考虑。

参考文献：

[1]JTG/T B02-01-2008.公路桥梁抗震设计细则[S].

[2]CJJ 166-2011.城市桥梁抗震设计规范[S].

[3]GB 18306-2015.中国地震动参数区划图[S].

[4]叶爱君，管仲国，范立础.桥梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]臧华.城市高架桥的抗震时程分析[J].科技创新与应用，2015（08）：13-14.