嫩江大桥主桥下部抗震分析

高 峰

(吉林省交通规划设计院，吉林 长春 130021)

1 项目概况

以嫩江大桥的主桥为工程背景，该主桥为(70+2×120+70)m半刚构—连续梁桥，为B类非规则桥梁，必须进行E1地震作用和E2地震作用下的抗震设计，E1地震作用下验算结构构件的强度，E2地震作用下验算结构构件的强度与变形。该桥主梁为预应力混凝土单箱单室变截面箱截面，主墩采用双薄壁实心矩形桥墩，桥台采用肋板台，边墩采用双柱式实心矩形桥墩，C40混凝土，基础采用钻孔灌注桩基础，C30混凝土。该桥址地震基本烈度值为7度，场地类型Ⅲ类。

2 E1地震作用下，地震力计算及强度验算

E1地震作用分析时采用多振型反应谱法，按顺桥向和横桥向分别输入加速度反应谱计算地震反应。混凝土结构阻尼比取为0.05，根据《工程场地地震安全性评价报告》，确定该工程场地设计地震动加速度反应谱曲线见图1。

抗震分析模型中考虑了桩土的共同作用(作用位置在一般冲刷线以下)，计算出承台底群桩基础的耦合刚度。E1地震作用下按桥墩受力最不利情况考虑，即不考虑滑动墩对地震力的分担作用，顺桥向地震力全部由固结墩承担，横桥向地震力由各桥墩共同承担。由于引桥在边墩处设置滑动支座，因此不考虑顺桥向相邻引桥对主桥震动的影响，横桥向作用将引桥上部反力转化为节点质量来考虑。2号墩为固结墩，墩顶节点与主梁刚性连接；其余桥墩顺桥向自由，横桥向及竖向采用大刚度约束位移。二期荷载转化为X，Y，Z三方向的节点质量；地震力分析时只考虑水平地震力作用，即分别计算顺桥向X与横桥向Y的地震作用。

使用有限元程序Midas进行分析计算，动力模型见图2。

根据动力计算模型，采用多重Ritz向量法计算得到该桥的动力特性，特征值分析结果如表1所示。

表1 模型动力特性

主桥下部桥墩各控制截面地震力结果如表2所示。

表2 控制截面地震力

公路桥梁抗震设计应考虑永久作用及地震作用，组合方式应包括各种效应的最不利组合。同时根据《公路桥涵设计通用规范》，分别按照承载能力极限状态及正常使用极限状态，对各种作用进行组合，桥墩在地震作用、永久作用及可变作用下荷载组合(经试算风荷载及流水压力对桥墩作用效应较小，组合中没有计入)，计算得到桥墩结构配筋。

3 E2地震作用下，抗震计算

根据两水平的抗震设计思想，E2地震作用下，要采用延性抗震设计方法，引入能力保护构件设计原则，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性破坏。选择地震中预期出现塑性铰的合理位置，保证结构形成一个适当的塑性耗能机制，确保塑性铰只出现在选定的位置，以保证地震破坏只发生在一座桥梁预定的部位，而且是可控的。通过强度和延性设计，确保塑性铰区域截面的延性能力。

顺桥向地震力作用下，固结墩柱的端部区域为塑性铰区域，因此选定固结墩墩顶和墩底作为塑性铰区域,其他墩按弹性计算考虑，不进入塑性状态；沿横桥向，固结墩及过渡墩选定端部区域为塑性铰区域，其他桥墩选定底部区域为塑性铰区域。采用纤维截面模拟塑性铰作用，可以准确模拟受弯构件、偏心构件的力学特性，同时也可以考虑截面内纤维的局部损伤状态，模型中，程序自动计算非弹性刚度。根据材料性质不同，将桥梁墩柱截面分为保护层混凝土、核心混凝土、钢筋几部分，通过弹塑性纤维梁—柱单元模拟钢筋混凝土墩柱，根据材料不同，分为混凝土纤维和钢筋纤维。对预期会出现塑性铰的区域进行细致的配筋设计，保证其延性抗震能力，塑性铰区的横向钢筋不仅约束混凝土，提高其抗压强度和延性，同时也要防止纵向钢筋发生压溃屈曲。

E2地震作用下，考虑支座边界非线性作用，采用滞后系统模拟支座，考虑支座的滑动摩阻力的影响。阻尼采用瑞丽阻尼。另外计算中，也考虑了相邻结构和边界条件的影响，将相邻一联桥梁也建入计算模型。塑性铰材料特征参数按抗震细则给定公式取用。

E2采用2000年重现期地震动时程，地震安评报告结果提供了7条地震动时程曲线。为了进行抗震的时程验算，以桥址地表设计反应谱为目标谱进行人造地震动合成。计算选取一般冲刷线处，2000年重现期地震时程为地震输入(图中仅示出一条时程曲线)，如图3所示。

3.1 计算参数选取

混凝土采用Kent & Park滞回模型模拟，可以考虑横向约束钢筋的约束效果。钢筋采用Menegotto-Pinto滞回模型模拟，具有计算效率高、与试验结果吻合较好的特点(见图4，图5)。

依据《抗震细则》，确定纤维材料本构特征值，建立纤维截面。

3.2 E2时程计算结果

E2地震作用下对延性构件(固结墩)验算变形，对非延性构件及能力保护构件验算强度。根据E1计算结果考虑自由墩按弹性设计，选定固结墩墩顶及墩底为塑性铰区。根据《公路桥梁抗震设计细则》，时程分析的最终结果，当采用7组时程波计算时，应取7组计算结果的平均值。

1)墩梁相对位移结果(仅示出部分结果)(见图6，图7)。

2)延性构件验算。顺桥向对固结墩墩底及墩顶，进行塑性铰区域抗剪强度及转动能力进行验算；横桥向对固结墩墩底及墩顶，其余各个桥墩墩底进行塑性铰区域抗剪强度及转动能力进行验算，结果表明，在E2地震力作用下，该结构延性构件横桥向及顺桥向变形均满足规范要求。顺桥向和横桥向E2地震作用效应和永久作用效应组合后，按设计规范相关规定验算桥墩强度，结果表明，该结构仍采用正常使用极限状态组合配筋结果，处于弹性工作范围。

4 结论

1)本桥结构基频小于一般连续刚构体系的基频，表明双薄壁墩设计在一定程度上使桥梁整体结构具有柔性特征，该桥墩结构设计是合理的。2)经过与E1地震作用效应和永久作用效应验算桥墩强度对比，本桥桥墩强度由正常使用极限状态控制。3)结果表明，基于延性设计的理念，对于塑性铰区域的设计和处理是合理的，有效地提高了桥梁结构的抗震能力。