五源河大橋抗震能力設計研究

錢潛

【摘要】本文主要對五源河大橋抗震設計的重要性、橋梁抗震的主要設計方法等方面進行了探索。

【關鍵詞】橋梁；抗震能力；抗震設計

五源河大橋作為?？谑芯G色長廊二期工程的主體工程，對?？诮煌ǜ纳凭哂兄匾饔?。本文根據《公路橋梁抗震設計細則》對五源河大橋進行抗震分析及性能評價，在此基礎上提出改善抗震設計的措施，以指導該橋的抗震設計。

1.工程概況

?？谑芯G色長廊二期工程北起西海岸濱海大道，南至南海大道，內側為雙向6車道，外側為非機動車道和人行道，全長5.37公里。五源河段道路起點樁號為K1+100，終點位于K1+800，全長700米，跨越五源河?？紤]到使用功能、與周邊環境的協調、建設養護成本以及工程造價，上部結構采用變截面預應力混凝土連續梁，滿堂支架施工。

五源河主橋跨徑布置為42.88m+60m+42.88m；跨中梁高1.8m，中支點處梁高3.5m，梁高變化采用二次拋物線。單幅橋面布置為：3m人行道+6m非機動車道+2m綠化帶 +12m車行道+0.5m防撞護欄+2.5m分隔帶。單幅橫斷面采用單箱五室形式，單幅寬26m，雙幅橋面全寬52m。河道與線路斜交角為135°，左右幅在線路縱向有錯位，斜橋正做，以適應河道及流水方向。

2.地震動輸入

必須首先確定橋梁的抗震設防目標和設防標準，得到橋梁在各級設防水準下的地震重現期和相應的結構重要性系數，然后結合橋梁的結構特點，地質特征等具體情況，即可得出地震動輸入的相關參數，從而最終獲得橋梁抗震分析的設計加速度反應譜。

本文采用《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）中的E1、E2設計反應譜轉換成等效的人工地震動時程并同時選取修正過的天然地震波計算結構的地震反應，并采用在E1、E2設計反應譜下結構強度和變形的限值作為等效時程分析驗算的限值。根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008），選用阻尼比為0.05的水平設計加速度反應譜：

式中： ——特征周期（s）

——結構自振周期（s）

——水平設計加速度反應譜最大值

按照五源河大橋的工程地質勘察說明，本場地的地震動峰值加速度為0.30g，對應抗震設防烈度為8度，場地類別為III類，橋梁抗震設防類別B類，特征周期為0.45s。

3.動力計算有限元模型

采用MIDAS/CIVIL 2010建立全橋的空間桿系計算模型。上部結構采用空間單主梁梁單元模型，支座采用相應的支座單元模擬；下部結構雙柱式橋墩均采用空間梁單元模擬，墩底及橋臺底均考慮“樁-土”相互作用，采用土彈簧進行模擬，土彈簧剛度分別采用“m”法確定，并考慮沙土液化層的影響，其中動力計算時各土層的“m”值取靜力值的2.5倍。在墩底區域潛在塑性鉸區域設置非彈性鉸，采用纖維單元模型模擬。其中，混凝土采用Kent-Park本構模型，普通鋼筋采用Menegotto-Pinto本構模型。

4.抗震性能驗算

對于本橋確定的兩個概率水平的地震，綜合考慮工程造價、結構遭遇的地震作用水平、緊急情況下維持交通能力的必要性以及結構的耐久性和修復費用等因素，來確定對應地震水平下結構的抗震性能目標。

4.1墩底截面強度驗算

橋墩及變形驗算采用的作用效用組合為偶然組合，即永久作用標準值效應與地震作用標準值效應進行組合，各種效應的分項系數取1.0。

①抗彎強度驗算。鋼筋混凝土橋墩和樁截面的抗彎能力（強度）采用纖維單元法進行的彎矩-曲率分析，得出圖4-1所示的彎矩-曲率曲線。

圖4 1等效彎矩的計算圖示

4.2抗剪強度驗算

根據《細則》7.3.4條規定，按下式驗算墩底截面的抗剪強度：

式中： ——剪力設計值；

——混凝土抗壓強度標準值；

——箍筋提供的抗剪能力；

——核心混凝土面積；

——同一截面箍筋的總面積；

——箍筋的間距；

——箍筋抗拉強度設計值；

——沿計算方向墩柱的寬度；

——抗剪強度折減系數。

恒載+縱向+豎向E2地震作用下橋墩底截面抗剪強度驗算：

根據抗彎強度結果，因橋墩在E2作用下處于彈性工作范圍內，因此Vc0取E2時程分析的結果。

滿足能力保護構件的要求。

5.E2地震作用下墩柱和系梁變形驗算

根據《公路橋梁抗震設計細則》，在地震E2作用下須進行結構的變形驗算。結構變形驗算為塑性鉸轉動能力驗算或墩頂位移驗算。由前面的計算結果可知，在E2地震作用下， 墩柱和各墩系梁出現塑性鉸， 因此， 這里須對各塑性鉸區域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力進行驗算。

6.抗震性能評價

根據五源河大橋地震反應分析和驗算結果，在遭遇E1地震作用時，五源河大橋主體結構處于彈性工作狀態，滿足抗震設防目標；在遭受E2地震作用時，五源河大橋主體結構處于塑性工作狀態，1#， 2#， 5橋墩沿順橋向的塑性轉動能力不滿足要求。此外，五源河大橋的結構抗震措施和細部構造措施也存在諸多不滿足要求的地方，如墩柱潛在塑性鉸區域未對箍筋進行加密、箍筋形式不滿足要求、結點配箍率不夠等。需要針對上述不足對五源河大橋進行改善設計，確保本橋能滿足相應等級的抗震設防要求。

7.其他驗算

根據《公路橋梁抗震設計細則》的要求，除上述驗算內容外，橋梁抗震驗算還需進行蓋梁抗彎與抗剪承載能力驗算、支座厚度及承載能力驗算、橋臺穩定性驗算、結點構造措施驗算等，具體驗算參照《公路橋梁抗震設計細則》執行。

結語

按照《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/TB02-01-2008）的要求 ，本文五源河大橋進行了抗震分析和性能評價，限于篇幅，僅以1號墩和2號墩系梁為例進行分析和驗算。 通過綜合評價全橋的抗震性能，指出本橋的抗震薄弱環節，以指導本橋進行改善抗震設計。 另外，結構抗震措施和細部構造措施對于橋梁抗震起著極其重要的作用，在一定程度上甚至比結構抗震分析更為重要，在進行橋梁抗震設計時尤其應該引起重視。

參考文獻：

[1] 馬宏旺，呂西林.建筑結構基于性能抗震設計的幾個問題[J].同濟大學學報，2002（30）：1429-1434.

[2] 張志強.延性與抗震設計[J].山西建筑，2008，34（12）：93-94.

[3] 曲慧，李振蘭.基于性能的橋梁抗震設計方法[J].山西建筑，2009年5月：295.