广西柳州凤凰岭大桥抗震设计

庞 伟

（广西柳州市城市投资建设发展有限公司，广西 柳州 545000）

0 引 言

随着国民经济的发展，人们对桥梁建筑的美学要求不断提高，出现了更多形式新颖的桥梁建筑形式。其中，在普遍应用的大跨度连续梁桥上，兴建具有地方特色的桥上建筑的结构形式不断涌现，广西柳州凤凰岭大桥便是地域特色与桥梁结构形式完美融合的典型代表。

本文以广西柳州凤凰岭大桥为建设工程为背景，采用数值模拟方法，进行含有桥上建筑的大跨连续梁桥的地震反应分析与验算。验算结果表明，该桥梁结构的抗震性能满足规范要求。

1 工程概况与有限元模型

1.1 工程概况

柳州市凤凰岭大桥主桥采用跨径布置为（96+124+3×130+90）m=700m等高连续组合梁方案（见图1）。桥面全宽46.6m，等高双箱单室钢箱组合梁断面，梁高6.5m（见图2）。中墩采用箱型截面空心墩，截面尺寸为5.5m×39.5m，立柱为空心截面，壁厚0.8m。中墩承台为圆端形，承台平面尺寸为6.48m×40.5m，厚度3.0m，采用18根φ1.8m钻孔灌注桩（见图3、图5、图7）。边墩采用矩形实心截面，截面尺寸为4.0m×38.5m，承台为矩形整体式，平面尺寸为6.25m×39.5m，厚度3.0m,采用18根φ1.5m钻孔灌注桩（见图4、图6、图7）。主梁的钢梁主体结构采用Q345qC钢，其余各部件混凝土使用情况见表1。

表1 混凝土使用情况

图1 主桥立面图

图2 主桥断面图（单位:mm）

图3 主桥中墩桩基布置图

图4 主桥边墩桩基布置图

图5 中墩配筋图

图6 边墩配筋图

图7 桩基配筋图

1.2 有限元模型

桥墩、钢箱主梁、桥上建筑钢结构杆件均采用梁单元模拟,承台近似按刚体模拟，其质量堆聚在承台质心,墩底与承台中心及桩顶中心节点主从相连，二期恒载以均布线质量的形式加载至主梁单元上。主桥设计采用球型钢支座，其中桥墩4#处设置固定支座，其余桥墩均布置滑动支座。采用六弹簧模型模拟各群桩基础的影响，弹簧刚度根据土层状况和桩的布置形式按静力等效原则确定，由土层资料确定m值。根据上述模拟方法，以SAP2000软件为建模工具，建立的全桥有限元模型见图8。

图8 全桥空间动力计算模型

2 地震动输入

本桥地震基本烈度为6度，水平向地震动峰值加速度0.05g。建筑工程抗震设防类别为丙类，建筑场地类别Ⅱ类,多遇地震的场地特征周期为0.35s，设计安全等级一级,结构重要性系数1.1。根据规范[1-3]得到地震动加速度目标反应谱见图9。根据给出的目标反应谱生成人工波，选择与目标反应谱拟合较好的3条地震波进行计算，并取最大值作为最终结果。

图9 加速度反应谱

3 E1地震作用下地震反应分析与抗震验算

3.1 反应谱分析结果

对桥梁结构在E1地震作用下进行反应谱分析，得到结构重要部件关键截面内力见表2、表3。

表2 桥墩墩底截面内力

表3 主桥桩基础地震响应

3.2 非线性时程分析结果

对桥梁结构在E1地震作用下进行非线性时程分析，得到结构重要部件关键截面内力见表4~表6。

表4 桥墩墩底截面内力

表6 桥上建筑钢结构杆件最大应力验算

表5 主桥桩基础地震响应

根据《城市桥梁抗震设计规范》(GJJ166—2011)[1]与《公路钢结构桥梁设计规范》（JTGD64—2015）[4]的规定，对E1地震作用下反应谱及非线性时程分析结果展开验算。限于篇幅，列出部分桥上建筑钢构件在E1非线性时程分析中的验算结果，反应谱的计算结果虽未给出，但满足规范要求，验算表中的界限值对应于正应力。可以看出，桥墩、桩基础关键截面、桥上钢构件抗弯承载力满足规范要求。

4 E2地震作用下地震反应分析与抗震验算

4.1 反应谱分析结果

对桥梁结构在E2地震作用下进行反应谱分析，得到结构重要部件关键截面内力见表7、表8。

表7 桥墩墩底截面内力

表8 主桥桩基础地震响应

4.2 非线性时程分析结果

对桥梁结构在E2地震作用下进行非线性时程分析，得到结构重要部件关键截面内力见表9~表11。

表9 桥墩墩底截面内力

表10 主桥桩基础地震响应

表11 桥上建筑钢结构杆件最大应力验算（非线性时程分析法）

对E2地震作用下反应谱及非线性时程分析计算结果展开验算。限于篇幅，列出部分桥上建筑钢构件在E2非线性时程分析中的验算结果，反应谱的计算结果虽未列出，但满足规范要求，验算表中的界限值对应于正应力。可以看出，桥墩、桩基础关键截面、桥上钢构件抗弯承载力满足规范要求。

5 桥梁结构地震反应分析方法

目前，可采用的地震反应分析方法包括静力法、反应谱法和非线性时程分析法。其中，静力法由于忽略了结构的动力特性，因而具有很大的局限性，所以本研究采用反应谱法和非线性动态时程分析法，对广西柳州凤凰岭大桥开展抗震设计与验算。反应谱法计算简便，可以通过较少的计算量获得结构的最大反应值，因而成为各国规范中的基本分析手段。但反应谱只是弹性范围内的概念，没有考虑结构的塑性发展，而且只能得到结构最大反应，不能反映结构在地震动过程中的经历和地震持续时间的影响，因而本研究在反应谱分析法的基础上同时采用了可考虑各种非线性因素的、较为精确的非线性时程分析法，对桥梁结构和桥上建筑的地震动响应进行研究。从两种方法的计算结果来看，反应谱方法和非线性时程法的结果互相印证和校核，差距在合理范围内，确保了凤凰岭大桥抗震分析的准确性和可靠程度。

6 结语

本文以广西柳州凤凰岭大桥工程为背景，采用两水平抗震设计方法，对含有桥上建筑的大跨连续梁桥在E1、E2地震作用下采用反应谱法和非线性时程分析法，以SAP2000（v19.2）软件作为建模工具，进行了地震反应分析与验算，得到了如下结论，对该类桥梁的抗震设计提供了参考。

（1）在E1地震作用下，主桥桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其初始屈服弯矩，保持弹性工作状态，桥墩关键截面和上部钢桁架杆件亦保持弹性工作状态。

（2）在E2地震作用下，桥墩关键截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其等效屈服弯矩，满足其各自性能目标，上部钢桁架所有构件均能满足强度要求，支座位移满足要求。

（3）本研究采用了反应谱法和非线性时程分析法两种地震动分析方法对广西柳州凤凰岭大桥开展了地震动响应研究。两种方法互相补充、印证，确保了计算分析结果的准确性和可靠程度。