3×20m跨径高低墩斜交梁式桥抗震分析

朱庚申

(云南省设计院集团有限公司 昆明市 650228)

1 工程概况

某公路桥上部为3×20m跨预应力混凝土简支梁，桥面连续，通过调整湿接缝宽度实现桥面变宽，预制T梁高度为1.1m，为密肋式矮T梁结构形式，中主梁悬臂长0.5m，边主梁外悬臂长0.55m，顶板厚0.16m，T梁腹板跨中区域到支点采用变截面形式，主梁采用C50混凝土。下部结构桥墩采用柱式墩，高低墩形式布置，墩间距为5.5m，墩径为1.4m，材料为C35混凝土，桩径1.5m，材料为C30混凝土，其中桩系梁材料与桩基一致，桥台采用柱式台形式，材料为C35混凝土。

主梁支座采用板式橡胶支座形式，其中桥台支座形式为GJZF4250×300×54，桥墩支座形式为GJZ250×300×52，预制T梁纵桥向两端均设置减震橡胶块。桥型布置图如图1所示。

2 主要技术标准与抗震分析模型建立

本桥主要技术标准如下：

(1)桥面变宽，防撞护栏宽0.5m，0#桥台桥跨线处桥宽B=9467.7mm，1#桥墩桥跨线处桥宽B=9487.9mm，2#桥墩桥跨线处桥宽B=10475.6mm，3#桥台桥跨线处桥宽B=10768.3mm。

(2)设计安全等级：一级。

(3)设计荷载:公路-I级。

(4)设计行车速度：80km/h。

(5)抗震设防标准：抗震设防类别B类，地震动峰值加速度0.20g，区划图上特征周期0.45s。

(6)环境类别：Ⅱ类。

(7)结构设计基准期：100年。

采用Midas/Civil 2019软件进行抗震相关计算分析。其中主梁、横梁、墩柱、桩基、系梁均采用空间梁单元模拟，为简化计算，主梁边支撑仅考虑板式橡胶支座刚度，不再考虑边墩盖梁、墩柱、桩基与支座的刚度耦合。利用节点弹性支撑模拟桩—土相互作用，其顺桥向、横桥向及竖向约束刚度采用M法计算[1-3]。

所建立的抗震分析Midas/Civil有限元模型如图2所示。本桥为多片斜交T梁，为准确反映整体结构力学行为，上部结构采用梁格法建模。橡胶支座作用采用线性弹簧模拟，板式橡胶支座纵横向弹簧刚度计算如下：

全桥约束如下：板式橡胶支座Dy和Dz按照刚度k进行约束，竖向刚度设置为无限大，不约束转角位移；滑板式橡胶支座除竖向刚度无限大外，其他约束均自由。桩土相互作用按照M法进行输入，根据规范该桥地基土比例系数取30000kN/m4。考虑地震作用的土弹簧，m动=(2～3)m静，在计算模型中本次按照3倍考虑[4]。

图2 抗震分析Midas/Civil有限元模型

3 最不利地震输入方向确定

本桥E1和E2地震分析均采用多振型反应谱法。本桥为斜交桥，动力特性区别于直线桥，不能按照直线桥方法直接确定地震输入方向。在Midas/civil抗震计算模型分析时，全桥只能确定一组地震输入方向(横向+纵向)，结合规范曲线桥分析方法[5]，本桥取图3中的四组工况以确定最不利输入方向。

图3 地震输入方向示意

分别以1#桥墩和2#桥墩为关注构件，通过分析内力(轴力、剪力、弯矩和扭矩)情况，确定最不利地震输入方向。在内力分析时，本桥桥墩均为高低墩设置，低墩受力相对不利，因此以低墩墩顶和墩底内力为关注位置，以E1地震作用为例，1#低墩和2#低墩墩顶墩底4种工况内力对比情况如图4所示。

由图4得知，1#桥墩4种工况顺桥向和横桥向墩顶和墩低轴力和剪力数值相差不大，4种工况中工况3引起截面轴力和剪力Fy数值较大；同时1#桥墩顺桥向各工况墩底弯矩My水平较大，横桥向各工况墩顶弯矩Mz水平较大，工况3相比于其他工况，在墩顶和墩底截面引起较大弯矩。2#桥墩4种工况顺桥向和横桥向墩顶和墩底轴力和剪力数值相差不大，4种工况中工况3引起截面轴力和剪力Fy数值较大；同时2#桥墩顺桥向各工况墩底弯矩My水平较大，横桥向各工况墩顶弯矩Mz水平较大，2#墩内力规律和1#墩一致，工况3相比于其他工况，在墩顶和墩底截面引起较大弯矩。

工况3引起的顺桥向和横桥向桥墩截面内力最为不利，后续地震输入方向以工况3方向为地震最不利输入方向，以进行本桥的抗震分析和验算，减少计算工作量。

4 验算结果

4.1 E1地震强度验算

在永久作用和地震作用偶然组合下，桥墩作为偏心受压构件，验算结果如图5所示。

本桥桥墩墩柱截面主筋为36Φ25的HRB400钢筋,配筋率为1.15%,根据桥墩配筋情况，在Midas/civil中分别输入桥墩约束混凝土和钢筋双折线应力应变特性，得到弯矩-曲率曲线如图6所示。

提取各墩墩顶和墩底弯矩，最大弯矩位于1#底墩墩底截面，其数值为2418.9kN·m，小于由图6所得到的桥墩截面初始屈服弯矩3468kN·m，满足E1状态下弹性工作要求。

图4 四种工况下桥墩内力情况

图5 E1地震桥墩强度验算结果

图6 桥墩截面弯矩-曲率曲线

4.2 E2地震强度验算

本桥桥墩为柱式墩，截面为圆形，直径D=1.4m，最低墩高为9.481m，桥墩墩顶墩底箍筋加密区设置间距为10cm的双肢D10HPB300箍筋。依据抗震细则，墩柱的计算长度与截面直径之比为9.481×1.2/1.4=8.13>2.5，因此，可不进行墩柱在E2地震下的正截面强度计算，仅对斜截面抗剪进行验算。

计算表明，横向地震作用下抗剪组合值最为不利，位于2#桥墩墩底截面处，其数值为770.2kN，小于抗剪抵抗值1267.4kN，满足要求。

4.3 E2地震桩基强度验算

E2地震作用下，桩基础应作为能力保护构件进行设计，应使其尽量保持弹性或轻微塑性状态，桩基础主筋采用36Φ28的HRB400钢筋，通过提取截面弯矩-曲率曲线得到桩基础等效屈服弯矩为6009.26kN·m，桩基础抗弯能力采用桩身截面等效屈服弯矩，即截面上有部分钢筋进入屈服，满足E2地震作用局部发生可修复的损伤，地震发生后基本不影响车辆通行的性能目标要求。

桩基内力由顺桥向控制，顺桥向桩基E2地震验算结果见表1。

表1 桩基顺桥向验算结果

本桥桩基最不利弯矩由低墩控制，其中1#桥墩低墩桩基抗弯需求为5471.6kN·m，与等效屈服弯矩相比，能力/需求为1.10，满足E2地震作用下“结构可修”的性能要求。

5 结论

采用Midas/civil有限元软件，对某公路3×20m跨径高低墩斜交梁式桥进行了抗震分析。确定了地震最不利输入方向并进行了高低墩强度与桩基验算，验算结果满足规范要求。