浅析峰林特大桥抗震性能

王玲丽,赵 凯

（贵州省交通规划勘察设计研究院有限公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

我国位于两个地震带之间，多次发生地震，近年有记录的6 级以上地震达多20 余起，造成了巨大的生命财产损失。救援生命通道畅通对于抗震救灾以及灾后重建至关重要，由于特大桥的工程造价均较高，且一般为相应道路的重要控制性工程，因此有必要进行相应级别的抗震设防[1-2]。另一方面，目前的《公路工程抗震设计规范》《公路桥梁抗震设计规范》只适用于跨度不超过150 m 的桥梁，需对特大桥梁进行专门的抗震设计研究。

1 工程概况

兴义环城高速公路为贵州省规划的各地州市环城高速网之一，峰林特大桥是兴义环城高速公路上的重要控制性工程，大桥跨越马岭河峡谷，地势总体北高南低，峡谷两岸底部均为陡崖，不良地质多而复杂，建设条件差。全桥孔跨布置为：3×40 m（先简支后结构连续预应力混凝土T 梁桥）+550 m（单跨钢-混叠合梁悬索桥）+12/11×40 m（先简支后结构连续预应力混凝土T 梁桥），左幅桥梁全长1 165.543 m，右幅桥梁全长1 129.299 m，主桥立面图及立梁横断面分别见图1、图2。

图 1 主桥立面图

图 2 主梁横断面

2 工程场地地质条件、抗震性能目标

场区内不良地质较多，有两处不稳定钙华体、两处危岩体、一处堆积体、卸荷裂隙发育。钙华体1、2 分布面积较大，易受扰动垮塌失稳，但离桥位较远，对桥梁建设无影响；危岩体完整性差，稳定性差，离桥位较近，对桥梁建设有影响；堆积体易发生失稳，卸荷裂隙发育且离桥位较近，对桥梁建设有影响。上述不良地质对桥梁建设有影响的，须进行处治。不良地质易造成地震地质灾害，应采取有效工程防护措施，并做好震后应急保通预案。

根据规范，桥梁抗震设计须确定抗震性能目标，该桥为高速公路上的特大桥，抗震设防类别为A 类。采用两级水准抗震设防，第一级水准为设计地震（E1），对应重现期约475 年（50 年10%），第二级水准为罕遇地震（E2），对应重现期约2000 年（100 年5%）。E1 作用下的抗震性能目标为加劲梁、主缆、吊索、基础、主塔、桥墩均为弹性无损伤，车辆正常通行，支座、减震耗能装置、锚碇均能正常工作；E2 作用下的抗震性能目标为加劲梁、主缆、吊索、基础、主塔、桥墩保持弹性，减震耗能装置、锚碇能正常工作。

3 设计地震动参数

3.1 设计反应谱

工程场地设计地震动加速度反应谱取为：

式中，Amax——设计地震动峰值加速度；β(T)——设计地震动加速度放大系数反应谱。根据《黔西南州兴义环城高速公路建设工程场地地质安全性评价报告》的结论，峰林特大桥在不同超越概率下阻尼比为2%情况下的地震动参数、设计反应谱曲线分别如表1 所示。

表1 峰林特大桥场地地表设计地震动参数值（阻尼比0.02）

3.2 设计时程

采用阻尼比为2%时各概率水平下的人工合成地震动时程数据，分别为：

（1）对应于50 年超越概率10%（阻尼比0.02）的地表水平向设计震动时程（人工合成）。

（2）对应于100 年超越概率5%（阻尼比0.02）的地表水平向设计震动时程（人工合成）。

各超越概率下均取3 组人工合成地震波，根据计算结果，取其中结构反应最大的那组为设计地震波。

4 抗震性能计算分析

4.1 计算模型

利用有限元程序建立全桥模型，计算模型以顺桥向为X 轴，横桥向为Y 轴，竖向为Z 轴。其中主塔、主梁均采用空间梁单元，主缆及吊杆采用空间索单元。首先进行动力特性分析，动力特性分析时，基础按固结、塔梁连接按主从约束考虑。主桥第一阶振型为主梁正对称侧弯，第一阶振形周期为6.646 s。因篇幅有限，示出前5 阶振型图，如图3 所示。

图3 前5 阶振型图

接下来进行全桥动力性能分析，在主桥有限元模型基础上，增加引桥以及桥塔桩基部分，桥塔桩基按m 法建立桩土作用单元，地基土极限承载力frk=25 MPa，地基抗力系数C0取15 000 MPa/m。地震输入采用两种方式：1）纵向+竖向；2）横向+竖向，竖向加速度的反应谱及时程曲线形状与水平向加速度的一致，加速度峰值为水平向加速度峰值的0.65。

对反应谱分析和非线性时程分析两种方法得到的结构地震动响应进行比较，两种方法的计算结果是较为接近的。最大弯矩为4.31×105kN·m，发生在纵向+竖向作用反应谱分析方法下，发生在4 号北承台底；最大塔顶位移为11.2 cm，发生在横向+竖向作用非线性时程分析方法下，发生在4 号南塔塔顶；最大梁端位移为12.4 cm，发生在纵向+竖向作用非线性时程分析方法下；最大跨中位移为54.8 cm，发生在横向+竖向作用反应谱分析方法下，均满足规范要求。

4.2 结构抗震性能验算

4.2.1 抗弯验算

根据规范，在地震水平E1 作用下，桩基截面的地震反应弯矩应小于截面初始弯矩（考虑最不利轴力组合），此时截面最外层受拉钢筋没有屈服，整个截面保持弹性范围，截面的裂缝宽度在容许值内，结构基本无损伤。

在地震水平E2 作用下，桩基截面的地震反应弯矩应小于截面等效抗弯屈服弯矩（考虑最不利轴力组合），这时结构整体反应还在弹性范围内，虽然可能有部分钢筋进入了屈服，裂缝宽度可能会超限，但只要混凝土保护层没有被破坏，地震后裂缝一般可以闭合，不影响使用，满足地震水平E2 作用下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要求[3]。

桩基础验算截面的抗弯能力计算结果分别如表2、表3 所示，由此可以看出，在E1 和E2 地震作用下，桩的抗弯能力满足抗震性能要求。

表2 桩基恒载+50 年超越10%地震作用下抗弯验算

表3 桩基恒载+100 年超越5%地震作用下抗弯验算

4.2.2 支座验算

在E2 地震作用下，应进行盆式支座的抗震验算，并满足规范要求，主桥支座应满足最大纵向水平变位为±40 cm、容许转动角为40°的要求。

对支座进行E2 地震作用下抗震性能验算，验算结果如表4 所示。可以看出，在E2 地震作用下，支座满足抗震性能要求。

表4 主塔支座恒载+100 年超越5%地震作用下抗震验算

5 结论

该文按照E1 和E2 两水准抗震设防标准，对峰林特大桥的桩基础和支座进行了抗震性能验算。根据对结构在E1 和E2 两个水准地震非线性时程分析及关键截面抗力校核结果可以看出，主桥桩基及主塔支座均满足抗震性能要求。为了进一步提升结构整体的抗震性能，须在该研究的基础上，增加主塔截面的抗震性能分析，并在此基础上开展抗震措施优化研究。此外还须针对结构各处设置的抗震优化措施方案进行参数优化分析，最后确定各构件最优化的抗震措施，以最大程度降低地震对此特大桥造成的伤害。