某中等跨徑連續(xù)梁橋的抗震設計

應祝慶

前 言

相比于大跨徑橋梁對于抗震設計重視，中小跨徑橋梁在設計上投入的資源較少。在汶川和玉樹地震中，中小跨徑的橋梁損害嚴重，使得重災區(qū)無法及時到達，因此中小橋梁的抗震、防震日趨得到業(yè)主和設計單位的重視，但是中小跨徑橋梁數(shù)量眾多，在結構布置形式上約束條件較多，因此往往無法從優(yōu)化結構體系方面增強抗震性能，往往需要通過增設減、隔震裝置。本文以某連續(xù)梁橋為例，探討了在沒有場地安評的情況下，采用《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）對采用鉛芯橡膠支座的進行設計和計算的方法。

工程概況

某橋跨徑布置為42.88m+60m+42.88m（見圖1-1）；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（見圖1-2）。

圖 1 主橋橋型布置圖

圖 2 主橋橫斷面圖

根據(jù)這座橋工程地質(zhì)勘察報告，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，因此這座橋梁的處于地震烈度較高地區(qū)，且上部結構采用連續(xù)形式，橋面較寬，橋墩高度較低，結構形式十分不利于高烈度地區(qū)橋梁的抗震設防，因此對于本橋的抗震設計，考慮增設鉛芯橡膠支座的減隔震措施。因鉛芯橡膠支座屬于非線性支座，因此，需要對結構進行基于非線性時程分析的抗震分析。

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(qū)域潛在塑性鉸區(qū)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。

圖 3動力計算模型

全橋采用兩種型號的支座：鉛芯隔震支座、滑板橡膠支座。

鉛芯隔震支座模型：采用雙折線滯回模型，根據(jù)所選用的隔震支座技術說明，取K1剛度61900kN/m，取K2剛度9500kN/m，鉛芯屈服強度1412kN。

滑板橡膠支座：采用雙線性理想彈塑性模型模擬。

初始剛度為

屈服力為：

Gd為滑板橡膠支座滑動前的動剪切模量，取1200kN/m；Ar為橡膠支座剪切面積； 為橡膠層總厚度。

為進行非線性彈塑性分析，對橋墩采用基于截面的纖維梁單元建模，纖維單元模型按下述方法考慮。墩底纖維截面劃分如圖4-6所示：

圖 4纖維截面分割示意圖

鋼纖維的本構模型一般為雙折線型的隨動硬化曲線（Menegotto-Pinto本構模型），各加載路徑和應變-硬化區(qū)間的漸進線之間的轉移區(qū)段呈曲線狀態(tài)，兩條漸進線的交點與加載方向上最大應變點的距離越遠，轉移區(qū)段的曲線越平緩，見圖4-7。

圖 5鋼筋應力-應變關系曲線

約束混凝土纖維的本構關系采用Kent和Park（1973）建議的關系曲線，見圖4-8，其數(shù)學描述如下：

① 修正的Kent-Park模型上升段（ ）

② 下降段（ ）

式中：

Z為下降段斜率由對應于50%峰值強度處的應變 決定。 為體積配筋率， 為箍筋屈服強度， 為混凝土圓柱體抗壓強度，與我國混凝土立方體抗壓強度 的關系近似為 ， 是約束箍筋外緣所包圍的混凝土寬度， 是箍筋間距。

圖 6 約束混凝土應力-應變關系曲線

地震動輸入

本文采用將《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008）（以下簡稱《細則》）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(jù)E1、E2水平加速度設計反應譜等效得到的人工地震動時程見圖4-3和圖4-4：

圖 9 E1 地震時程函數(shù)

圖 10 E2地震時程函數(shù)

結果分析與評價

圖11、12、13表示計算出的橋墩的彎矩和塑性較變形值在E1、E2地震時程作用下的時程曲線。計算結果表明，采用布置鉛芯橡膠支座的減隔震措施以后，橋墩塑性角區(qū)在E1、E2地震作用下基本上處于線彈性范圍內(nèi)，結構滿足規(guī)范要求。

圖11 縱向+豎向地震激勵彎矩時程曲線

圖12 橫向+豎向地震激勵彎矩時程曲線

圖13 橋墩塑性鉸區(qū)Ry-My曲線

結論

本文表明，在高烈度地區(qū)的中小跨徑橋梁設計中，采用鉛芯橡膠支座可以較好的降低結構在地震動時程作用下的響應，盡管工程造價較高，采用寬橋面連續(xù)結構形式并適當?shù)牟贾勉U芯隔震支座也是一種可行的方案，可供設計人員參考。