桥梁抗震性能计算分析

花尉攀 李凯峰

(安阳职业技术学院,河南 安阳 455000)

我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受板块与板块的挤压，地震断裂带十分活跃。根据近几十年的地震灾害数据可知，地震对桥梁工程造成了严重破坏，因此桥梁抗震性能分析日益重要[1]。我国抗震设计分析常用两种方法，一是基于强度抗震设计分析法，二是基于位移的抗震设计分析法，普遍采用两水准、两阶段的抗震设计思想；而现在能力设计分析方法被专家学者所青睐，三水准抗震设防分析设计原则被广大学者所接受[2,3]。我国的桥梁抗震设计规范编制基本完备，但地震荷载反应比较复杂，抗震设计计算分析也随之比较复杂[4]。因此，桥梁抗震反应分析就显得尤为重要。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

本文研究分析的对象为某市中环快速化改造工程桥，桥梁宽度为8.5 m，跨径为3×30 m一联的典型桥梁，场地为平原区，区域内无全新活动断裂和地震断裂存在及其他不良地质作用，稳定性较好。该桥的地震设防烈度属7度，没有液化土层。场地土类型属中软土，覆盖层厚度大于50 m，场地类别属Ⅲ类，设计加速度反应谱特征周期值为0.45 s。

1.2 地震动输入

根据地质勘查报告该桥所处地区反应谱参数见表1。根据桥梁抗震细则规范中反应谱计算方法的规定[5]，计算反应谱公式见式(1)，式(2)：

(1)

Smax=2.25CiCsCdA

(2)

其中，Tg为特征周期,s；T为结构自振周期,s；Smax为水平地震加速度反应谱最大值。

表1 反应谱参数

2 有限元计算模型

计算模型采用大型非线性有限元软件模拟实桥，对该桥进行内力、位移计算分析及地震响应下的动力分析。计算结果组合原则为：1.0×自重效应+地震效应，其中“自重”为计算模型质量参数，包含二期恒载，“地震效应”指抗震分析的效应值。在地震反应分析中，均考虑竖向地震分量和水平向地震分量的组合，组合的原则为：地震输入量=竖向分力+水平分力，其中竖向分力取值为1/3的水平分力，本文所有荷载组合中的“横竖E1地震”“纵竖E1地震”均指该原则组合的地震动输入。计算结果中轴力为正值，在考虑地震轴力为拉力的不利效应时，采取“自重”作用下的轴力与反应谱计算的轴力的差值作为轴力结果。剪力和弯矩则为“自重”和反应谱计算结果的绝对值的叠加。三联桥梁支座布置形式相同，本文仅给出第二联的地震响应，第二联的编号顺序为MB3～MB6；支座横向的编号原则从左向右分别为MB3-1,MB3-2；桩基础的编号顺序为MB3，MB4，MB5，MB6-1，MB6-2。

3 桥梁的地震反应分析

表2 墩内力表

由表2数据分析可知，除MB4号固定支座约束墩在纵向E1地震作用下受力较大以外，其余各墩在纵向E1地震作用下受力较为均衡；在横向E1地震作用下中间各墩受力较均衡，MB6位于桥梁变宽处，与宽幅桥其他墩共同工作，受力较大。

表3 E2地震作用下桩内力表

由表3数据分析可知，除MB4号固定支座约束墩下的桩基在纵向E2地震作用下受力较大以外，其余各桩基在纵向E2地震作用下受力都较为均衡；在横向E2地震作用下各桩基(除MB6-1外)受力变化幅值较小。但是在横向E2作用下各桩基都会出现拉力。当桩基出现上拔力时，桩基按最小配筋率设计时，不能满足抗震要求，部分桩基需要增加到1.6%的配筋率才能满足地震承载力要求。固定支座下MB4桩基在纵向地震作用下不能满足地震承载力要求。

表4 E1地震作用下支座内力和位移

由表4数据分析校核结果可知，在纵横向滑动支座都可以满足在E1地震作用下支座的位移能力的要求，所有纵横向约束支座都可以满足支座抗剪的要求；支座竖向承载力满足要求，横桥向允许位移±40、纵桥向允许位移±150。

表5 E2地震作用下支座内力和位移

由表5数据分析校核结果可知，纵横向滑动支座都可以满足在E2地震作用下支座的位移能力的要求；纵向约束支座都能满足抗剪要求，横向部分不能满足抗剪要求；支座竖向承载力满足要求，横桥向允许位移±40、纵桥向允许位移±150。

表6 墩顶位移能力校核表 m

由表6数据可知，在E2地震作用下所有墩的位移延性能力都满足抗震要求。

4 结语

本文基于三水准抗震设防分析设计原则，对某市中环快速化改造工程桥进行了数值模拟，得出了以下结论：

1)纵向地震荷载作用下，该联桥梁下部结构受力均衡(纵向固定支座下墩、桩除外)；横向地震荷载作用下，变宽轴线上的墩及桩基础受到宽幅桥上的其他墩柱耦合受力影响作用下，其受力状况比同联其他墩柱大。

2)根据JTG/TB02—01—2008抗震细则要求的最小纵向配筋率6‰配筋，该联桥所有桥墩均可满足一阶段抗震设计的截面抗弯承载力的要求；采用细则规定的最小配箍率4‰时，所有桥墩的位移延性能力都满足抗震要求。

3)在E2地震荷载作用下，所选用的支座在横桥向和纵桥向允许滑动位移均满足规范要求；联端处支座抗剪承载力选用竖向承载力的30%、其余支座抗剪承载力为竖向承载力20%，可满足规范规定的支座抗剪承载力要求。

4)在E2地震荷载作用下，部分桩内轴向压力较大，也有可能出现较大的拉力，设计时根据试桩情况验算桩的竖向承载力。纵向约束墩下基础采用两桩远不能满足承载力要求，需增加桩基数量或加大桩基直径提高桩基础的纵向承载力；横向地震作用下，变宽轴线处桩需提高配筋率至1.6%或增加桩基数量提高桩基础的横向承载力方可满足抗震要求，其余桩需提高配筋率至1.0%以满足抗震要求。