多箱組合連續梁橋抗震分析及優化

劉志華

（山西省交通科學研究院 橋梁工程防災減災山西省重點實驗室，山西 太原 030006）

0 引言

地震作為威脅人類的一大自然災害，高強度的地震往往釋放出巨大的地震能量，造成地表和人為工程的大量破壞，如建筑物倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等等，嚴重危及人民生命和財產的安全。而且，地震的直接災害發生后，還會引發眾多的次生災害。有時，次生災害所造成的傷亡和損失，比直接災害還大。倘若橋梁工程遭到嚴重破壞，發生斷裂和垮塌，就會切斷震區的交通生命線，造成救災工作困難，加重次生災害。因此，橋梁的抗震防災工作顯得極為重要[1-2]。

近年來，國內外眾多科研人員對橋梁結構的抗震問題進行了深入研究，提出了地震作用分功能設計和安全設計兩個等級設計的思想，并采用減振、隔震等有效的措施實現了二者的統一。如同濟大學的李建中等[1]針對多跨連續梁橋，對其減隔震體系進行了優化設計研究。宗周紅等[3]對高墩橋梁以及減隔震措施等進行了抗震研究，并對部分相關影響參數進行了研究。本文以臨汾環城一級公路汾河大橋引橋——多箱組合連續梁橋為工程背景，對其地震效應進行分析研究，并在抗震性能分析結果的基礎上，對該橋抗震設計方案進行優化設計，改善了橋梁的抗震性能[4-5]。

1 結構分析模型及地震動輸入

1.1 結構分析模型

本文對臨汾市環城一級公路汾河大橋引橋的最不利跨按B類抗震設防目標進行抗震分析。為四跨連續的（4×35 m）多箱組合連續梁橋。該橋由于單幅橋寬達17 m，因此設計中每幅橋面采用6片跨徑35 m小箱梁組合而成，下部結構采用鋼筋混凝土三柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎。墩高均在為13～14 m之間；除兩個邊墩的橋墩直徑分別采用1.6 m、2.6 m，其余墩直徑均為1.4 m。支座則采用公路橋梁盆式橡膠支座GPZ（Ⅱ）系列產品。圖1、圖2所示分別為該橋的橋型布置圖和支座布置圖。本橋橋址區自然地面以下5 m深度內①層細砂有液化可能，根據《中國地震動參數區劃圖》，橋址所在地區地震動加速度峰值為0.20g，地震基本烈度（即抗震設防烈度）為Ⅷ度。

圖1 第四聯橋型布置圖

采用SAP2000非線性有限元分析軟件建立汾河大橋先簡支后連續小箱梁部分的空間桿系模型（如圖3所示），三維梁單元模擬主梁和橋墩；連接單元模擬支座；對于樁基礎，采用考慮樁-土相互作用的集中彈簧模型來模擬對本橋進行地震效應分析。

圖2 支座布置圖

圖3 結構分析模型

1.2 地震動輸入

汾河大橋工程場地地震安全性評價報告給出的場地類別為Ⅲ類場地，工程場地50年超越概率63%（重現期50年）、10%（重現期475年）、2.5%（重現期約2 000年）的水平地震影響系數和水平向設計反應譜模型常數（阻尼比0.05），詳見表1。

表1 設計反應譜模型常數（阻尼比0.05）

地震設計反應譜以地震影響系數α(T)形式表述（地震影響系數為用g歸一的加速度反應譜）。標準形式的場地相關地震影響系數α(T)其表達式為：

式中：Amax為水平峰值加速度；αmax為α（T）的最大值，T1和Tg（特征周期）為α（T）的折點周期；γ為衰減因子。根據《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02-01—2008，本橋在E1地震作用下地震水平抗震重要性系數Ci=0.5（對應的地震動重現期約為50～100年）；在E2地震作用下抗震重要性系數Ci=1.7（對應的地震動重現期約為475～2 000年），得到分析輸入E1、E2地震作用時的水平設計加速度反應譜（如圖4、圖5所示）。

圖4 E1地震作用時的水平設計加速度反應譜

圖5 E2地震作用時的水平設計加速度反應譜

在地震效應分析中，作用效應組合應包括1.0×永久作用效應+地震作用效應，組合方式包括各種效應的最不利組合。其中“永久作用”包括結構重力（恒載）、預應力、土壓力、水壓力?！暗卣鹱饔谩卑ǖ卣饎拥淖饔煤偷卣鹜翂毫?、水壓力等。在地震效應分析中，均考慮了豎向地震分量和水平向地震分量的組合，組合的原則為：，EX、EY、EZ分別表示水平向和豎向地震作用產生的最大效應。其中豎向分量取值為0.333倍的水平分量，以下各結果數據中所涉及的“橫豎”、“縱豎”均是按照這一原則組合的地震動輸入[6]。

2 地震效應分析

本文采用反應譜法對橋梁進行了地震效應分析，分析結果見表2。

表2 E1地震作用下橋墩內力

表3 E1地震作用下樁內力

表2和表3分別為橋墩和樁基礎在E1地震下的內力，由表2和表3可以看出，除10號墩橋墩外，其他橋墩和樁基按照正常的配筋率完全滿足抗震要求。但是，由圖2可知，由于縱橋向僅在10號橋墩處對主梁有約束作用，所以在縱向地震作用下，10號橋墩和相應的樁地震效應明顯大于其余橋墩，因此其配筋率明顯高于其余橋墩，抗震設計不夠合理。

表5 E2作用下支座位移

08抗震設計細則中規定，橋墩在E2地震作用下橋墩允許進入彈塑性，但支座必須滿足承載力和變形能力要求，防止發生落梁災害發生。表4和表5為支座在E2作用下的地震效應，可以看到，在E2地震作用下，由于盆式支座定向性造成其都不能滿足承載能力和變形的要求，在高強度地震的作用下支座將會破壞，甚至引發落梁災害。需要對橋梁的抗震設計方案進行優化，改善其抗震性能，使其能夠抵御設計地震[7]。

3 抗震設計方案優化

本文在原橋梁抗震設計方案的基礎上，進行了抗震方案優化設計。具體方案為：將盆式支座更換為延性好、剛度小、抗震性能較好的天然橡膠支座。8和12號墩采用面積為350 mm×350 mm的矩形天然橡膠支座；9～11號墩采用面積為520 mm×520 mm的矩形天然橡膠支座。對優化后的橋梁結構進行地震效應分析，并就兩種抗震設計方案的計算分析結論進行對比。

表6 E1地震作用下橋墩內力（優化設計后）

表7 E1地震作用下樁內力（優化設計后）

表6和表7分別為優化設計后橋梁E1地震作用下的地震效應，與表2和表3相比，抗震設計優化后，橋梁整體橫向剛度降低，橫向周期延長，各墩和樁的橫向地震效應有不同幅度的降低。從中還可以看出，采用減隔震天然橡膠支座以后，所有的橋墩均承受縱向水平地震效應，10號橋墩的地震效應大幅降低，墩底彎矩和剪力都減小到原方案的48%，由所有的橋墩共同承受縱向地震效應，改變了原抗震設計縱橋向只有10號墩承受地震效應的不利狀況，橋梁結構整體受力更為合理，10號墩柱不必再進行特殊設計，可完全采用與其他墩柱相同的配筋率進行設計來滿足抗震性能的要求。

表8 E2地震作用下天然橡膠支座地震效應

表8為支座在E2地震作用下的地震效應，對比表4和表5可以看出，通過橋梁結構的抗震優化設計時各個支座的變形和受力更為均衡，支座地震效應明顯減小，所有支座均滿足變形能力的要求，降低了地震中支座破壞、落梁的風險。

4 結語

本文以臨汾環城一級公路汾河大橋多箱組合連續梁橋為背景，對地震效應進行了分析，進行了抗震性能對比研究，結合橋梁結構特點提出了抗震優化設計方案，并得出如下結論：

a）通過地震效應的分析，原設計采用普通盆式橡膠支座，縱向只設置了一個制動墩，造成該墩承受了大部分的縱向地震力，地震效應大大高于其他橋墩，橋梁結構受力明顯不合理，而且盆式橡膠支座無法滿足Ⅷ度地震作用時所要求的承載能力和變形能力的要求，在高強度地震中將發生支座破壞，甚至引發落梁震害。

b）針對原設計方案中支座類型及布置方式不合理，造成結構受力不夠合理的缺陷，提出采用延性大、剛度小、抗震性能較好的天然橡膠支座作為橋梁減震措施的抗震優化設計方案，經計算及對比分析，橋梁結構的地震效應被弱化，整體抗震性能明顯提高，完全滿足抗震性能要求。

c）所采用天然橡膠支座改善多箱組合連續橋梁的抗震性能，具有一般性，可以為混凝土連續梁橋抗震設計提供經驗。