大跨矮墩連續剛構地震響應分析

陳禮榕

(福建省交通規劃設計院,福建福州350004)

連續剛構橋具有整體剛度大、后期養護費用少,施工方便等優點,在我國公路工程得到廣泛應用。這類橋橋墩多采用雙肢薄壁等柔性墩,抗推剛度較小,能有效減少溫度、混凝土收縮徐變和地震的影響,但它的應用也受到聯長和墩高的制約[1]。

1 工程概況

洋里特大橋是福州長樂國際機場高速公路控制性的重要構造物,其位于福州市晉安區,場區屬沖海積平原地貌,地勢平坦,地形開闊,地表為民用建筑和耕植地。洋里特大橋總長1 631.5m,主橋采用(100+168+100)m變截面連續剛構箱梁,1號剛構墩墩高為15.7m,高跨比僅為1∶10.7,主橋布置見圖1。

洋里特大橋屬大型公路橋梁,橋址位于華南沿海地震帶北段和臺灣海峽地震帶西段。臺灣海峽地震帶和華南沿海地震帶是我國大陸地區地震活動性最強的地震帶之一,歷史上曾發生過多次破壞性地震。為確保主橋在地震作用下有足夠的抗震性能,對主橋結構進行地震響應分析。

圖1 主橋橋跨布置

2 抗震設防標準與計算參數

根據《洋里特大橋工程地質評價綜合圖表》,洋里特大橋主橋橋址處淤泥層較厚,厚度超過20 m,工程場地類型為Ⅲ類,抗震設防烈度為7度,地震動峰值加速度為0.10g,地震動反應譜特征周期值為0.55 s。

根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008),洋里特大橋主橋的抗震設防類別為A類。豎向地震動加速度峰值取為相應的水平地震動加速度峰值的1/2,其譜形參數與水平向的譜形參數相同。設計反應譜參數取值見表1。

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3 主橋空間有限元模型的建立

利用大型結構分析軟件MIDAS 7.4,建立洋里特大橋主橋空間動力計算模型,采用有限元方法進行地震響應分析。在計算模型中,主梁、橋墩、承臺及樁基礎均采用三維梁單元模擬。樁-土結構相互作用中必須考慮與應變水平有關的土壤性質,樁基周圍土的約束作用可以用等代土彈簧來模擬[2]。在主橋動力計算模型中,約束和邊界條件處理為:對于邊墩的GPZ盆式支座,采用剛性連接單元模擬,縱橋向鉸接,橫橋向和豎向固結;采用剛性連接單元模擬墩-梁固結。

4 結構地震響應分析

采用多振型反應譜分析方法對洋里特大橋主橋分別在E1和E2地震作用下的結構反應分別進行計算分析。在反應譜分析中,為保證計算精度,按振型疊加法計算結構的最大地震響應時,考慮的振型階數均在計算方向獲得90%以上的有效質量,振型組合采用CQC法。

大跨連續剛構箱梁上部結構箱梁剛度大,不控制抗震驗算,故主要分析下部結構的地震響應。

4.1 E1地震作用響應分析

根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)和《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004),最不利地震響應內力與成橋階段內力進行組合,經比較分析,縱向地震作用控制橋墩抗震設計,樁基在橫向組合地震響應內力較大。具體計算結果如表2和表3所示。

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由表2、表3可知,E1地震作用下,主墩和樁基強度均滿足規范要求;樁基強度富余較多,不控制設計。

4.2 E2地震作用響應分析

在E2地震作用下,主墩進入較明顯彈塑性狀態;按照抗震設防目標的要求,此時應保證整體結構在E2地震時只產生有限損傷,需要對各橋墩的變形能力(主要是延性)和樁基礎的強度進行驗算。橋墩的變形能力驗算通常采用截面M- 分析方法。為了保證E2地震作用下主墩具有足夠的延性,應按下式檢算各墩潛在塑性鉸區截面的塑性轉動能力:

式中:θp為E2地震動作用下橋墩潛在塑性鉸區截面的塑性轉角;K為安全系數,取K=2.0。表4為各墩變形能力的驗算結果。

由表4可知,洋里特大橋主橋橋墩的變形能力均能滿足E2地震動作用下的位移需求。經計算分析,樁基強度不控制抗震驗算。

洋里特大橋主橋0號和3號交界墩頂均設有單向活動和多向活動球形鋼支座各一個,其縱向容許位移[Xe]=200 mm。E2地震作用下的支座位移驗算,驗算結果如表5所列。

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由表5可知,在E2地震動作用下,主橋兩側交界墩上設置的盆式支座的位移能力均滿足抗震要求。

5 結 論

連續剛構橋采用柔性墩,能有效減少溫度、混凝土收縮徐變和地震的影響,但它的應用受墩高的制約。大跨矮墩連續剛構箱梁高跨比較小,下部結構控制抗震設計。洋里特大橋采用反應譜法進行地震響應分析,在E1和E2地震作用下,結構強度滿足規范要求;在E2縱橋向地震作用下主墩進入彈塑性狀態,需進行延性設計;本橋主墩樁基采用縱向雙排6根群樁基礎,下部橫橋向剛度大,樁基的橫向地震響應內力較大。

[1]陳福壽.矮墩連續剛構橋的實現[J].公路,2004(6):84-86

[2]陳禮榕.大跨剛構拱橋的組合有限元計算分析研究[D].西南交通大學,2005