預(yù)制箱梁橋橋墩抗震設(shè)計(jì)分析

楊竹林 王攀峰 楊建中

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

預(yù)制箱梁橋橋墩抗震設(shè)計(jì)分析

楊竹林 王攀峰 楊建中

（河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 河北石家莊 050021）

結(jié)合三河市泃河預(yù)制箱梁橋的設(shè)計(jì)工作，采用MIDAS CIVIL有限元計(jì)算軟件建立橋梁整體空間動(dòng)力模型，給出了預(yù)制箱梁橋前四階的自震周期和頻率、研究了橋墩墩頂位移過大、塑性鉸抗剪不過的處理辦法，和反應(yīng)譜計(jì)算抗震時(shí)減隔震支座的模擬方法，為預(yù)制箱梁橋的橋墩抗震設(shè)計(jì)提供參考。

抗震設(shè)計(jì) 減隔震支座 預(yù)制箱梁

我國是地震多發(fā)的國家，強(qiáng)烈地震的發(fā)生不僅對(duì)國家造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)造成大量人員的傷亡。橋梁是交通運(yùn)輸?shù)难屎恚诳拐鹁葹?zāi)中起著重要的作用，因此對(duì)橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)十分必要。

本文結(jié)合三河市候譚縣泃河大橋的設(shè)計(jì)工作，研究預(yù)制箱梁橋橋墩的抗震設(shè)計(jì)。

1 橋梁概況

圖1 橋型圖

圖2 橋梁斷面圖

泃河大橋位于河北省三河市境內(nèi)，跨越南北走向、上口開口寬約100m的泃河，場(chǎng)地抗震設(shè)計(jì)烈度為8 度，水平向動(dòng)峰值加速度0.2g。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)的預(yù)制箱梁，跨徑組合為3×35m，雙幅橋，單幅寬度13m，每幅布置4片預(yù)制箱梁。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式混凝土鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，柱徑1.5m，樁徑1.6m橋墩樁長55m，橋臺(tái)樁長45m，橋型見圖1。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)，橋?qū)挿较虿贾脼椋?.5m人行道+3m非機(jī)動(dòng)車+2×3.75m機(jī)動(dòng)車道+0.5m路緣帶+0.5m防撞護(hù)欄+1m分隔帶+0.5m防撞護(hù)欄+0.5m路緣帶+2×3.75m機(jī)動(dòng)車道+3m非機(jī)動(dòng)車+1.5m人行道，總寬27m，橋面橫坡2%，橋梁上部斷面見圖2。

2 橋墩抗震設(shè)計(jì)分析

2.1 計(jì)算模型

圖3 橋梁計(jì)算模型

合理正確的計(jì)算模型，是橋梁抗震設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)。本橋設(shè)計(jì)采用MIDAS Civil 2010建立

了包括主梁、蓋梁、橋墩、系梁、樁基的整體空間有限元模型，模型共674個(gè)節(jié)點(diǎn)，680個(gè)單元。如圖3所示。

主梁建模采用梁格法，縱梁為C50混凝土，虛擬橫梁采用無自重、彈模同主梁一致的材料，模擬主梁間的橫向連接。蓋梁、墩柱、樁基均為C30混凝土，用彈性連接模擬支座剛度，采用土彈簧模擬樁基與地基土之間的相互作用，地基土動(dòng)力狀態(tài)下水平向抗力的比例系數(shù)取2.5倍的靜力狀態(tài)下的值。

2.2 抗震設(shè)計(jì)計(jì)算

《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TB02-01-2008）中根據(jù)各類橋梁在抗震救災(zāi)以及在經(jīng)濟(jì)、國防上的重要意義或破壞后修復(fù)（搶修）的難易程度，將橋梁的抗震設(shè)計(jì)類別分為A類、B類、C類和D類，分別對(duì)應(yīng)不同的抗震設(shè)防目標(biāo) 。橋梁在地震作用下，上部結(jié)構(gòu)一般不易損壞，橋梁抗震設(shè)計(jì)主要是對(duì)下部結(jié)構(gòu)（橋墩）的抗震設(shè)計(jì)。泃河大橋是位于一級(jí)公路上的大橋，對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)類別為B類。B類橋梁抗震對(duì)于橋墩的要求是：E1狀態(tài)下橋墩處于彈性工作狀態(tài)，E2地震作用下橋墩進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，但橋墩塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力或墩頂位移應(yīng)滿足規(guī)范的要求。

泃河大橋橋位處場(chǎng)地特征周期為0.35s，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為8度，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.20g。場(chǎng)地土層等效剪切波速為165m/s，覆蓋層厚度大于50m，為中軟土，III類場(chǎng)地，場(chǎng)地系數(shù)Cs=1.2，橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比ξ=0.05，對(duì)應(yīng)E1地震作用時(shí)抗震的重要性系數(shù)為Ci=0.50，水平向動(dòng)峰值加速度0.27g；E2地震作用時(shí)抗震的重要性系數(shù)為Ci=1.70，水平向動(dòng)峰值加速度0.92g。E1地震作用下水平向加速度反應(yīng)譜見圖4。

圖4 E2地震水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

為驗(yàn)算橋梁橋墩塑性鉸的轉(zhuǎn)動(dòng)能力或墩頂位移是否滿足規(guī)范的要求，需要得到橋墩在最不利軸力下等效屈服的曲率和極限破壞狀態(tài)的曲率，即橋墩軸力-彎矩-曲率曲線（P-M-Φ曲線）。本橋橋墩等效屈服彎矩為5363.21kN·m，等效屈服曲率為0.002344，極限屈服彎矩為5588.05kN·m，極限屈服曲率為0.009712，橋墩的P-M-Φ見圖5。

圖5 橋墩的P-M-Φ曲線

2.3 抗震計(jì)算成果及分析

采用多重Ritz向量法對(duì)橋梁縱橋向X方向、橫橋向Y方向各20階震型進(jìn)行特征值分析，得到縱橋向陣型參與有效質(zhì)量為95.74%，橫向橋振型參與有效質(zhì)量為94.78%，滿足規(guī)范中所考慮的振型階數(shù)在計(jì)算方向獲得90%以上有效質(zhì)量的要求。橋梁結(jié)構(gòu)前四階自震特性見表1，震型見圖6-9。

表1 橋梁自振特性

圖6 橋梁第一階振型

圖7 橋梁第二階振型

圖8 橋梁第三階振型

圖9 橋梁第四階振型

地震作用效應(yīng)采用CQC法計(jì)算，橋梁在恒荷和地震作用下彎矩圖，見圖10。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.013

TV148

B

1672-2469(2014)12-0038-02

楊竹林（1972年—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。