大懸臂城市橋梁抗震性能分析

陳健圣，俞 超

（上海新暢園林市政建筑工程有限公司，上海市 201204）

0 引言

隨著我國城市基礎交通設施的建設，越來越多的城市開始修建城快速環線。城市橋梁由于地形復雜、空間受限等因素，無法采用常規橋型進行設計。為滿足城市橋梁橋下凈空的要求，某些條件下不得不采用超大懸臂橋墩的設計方案。大懸臂橋墩質量分布具有“頭重腳輕”的現象，不利于抗震設防，在地震下具有較大的破壞風險。

本文以一座大懸臂城市橋梁為例，對其結構動力特性進行了分析，采用反應譜法計算其地震響應，并進行了抗震性能驗算。本文的計算思路、方法可為類似橋梁的抗震設計計算提供參考和借鑒。

1 橋梁概況

全線上部結構采用預應力T梁，均為30 m跨徑橋面連續簡支梁橋。橋墩采用超大懸臂設計，單側最大懸臂長度12.5 m，具體布置如圖1所示，橋墩墩高約10 m，基礎采用樁基礎。

2 有限元模型的建立及動力特性分析

2.1 有限元模型的建立

根據設計方案，采用Midas Civil有限元程序建立三維有限元動力計算模型進行抗震性能分析。計算模型以縱橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎橋向為Z軸。采用多振型反應譜法及線性時程法分析時，主梁、橋墩均采用空間梁單元模擬。墩底約束按固結處理。此外，在過渡墩處施加鄰聯橋梁恒載以考慮鄰聯結構的影響。動力計算有限元模型如圖2所示。

圖1 橋墩橫截面（單位：mm）

圖2 有限元模型

2.2 動力特性分析

振型分析采用子空間迭代法，本橋的前五階頻率、周期及振型列于表1。

表1 前五階振型振動特性

本橋的前五階振型主要以全橋橫向振動為主，表明該橋橫橋向剛度較縱橋向弱。結構縱向振動出現較晚，處于地震動反應譜的中短周期，地震時結構縱向需承擔較大的地震力。

3 地震動輸入及地震響應分析

3.1 地震動反應譜

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2001），水平向設計基本地震加速度峰值為0.1g，場地類別為Ⅱ類，設計特征周期為0.35 s，結合《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）[4]的要求，本橋為乙類橋梁，對應E1和E2地震水平反應譜超越概率分別為50年超越概率63%（重現期100年）和50年超越概率2.5%（重現期約2 000年），水平向地震動反應譜如圖3所示。豎向設計加速度反應譜由水平向設計地震動加速度反應譜乘以豎向/水平向譜比函數R。本橋橋址為基巖場地，R=0.65。

圖3 水平向設計譜

3.2 地震響應分析

E1和E2地震作用下的結構地震響應分析采用反應譜法。計算分析橋梁為多跨30 m橋面連續簡支梁橋，經地震響應分析可知，中間墩縱橫向內力響應較大，且由于橋墩截面尺寸在縱橋向沿墩高變化，故后續分析中將其墩頂截面和墩底截面作為分析關鍵截面，如圖4所示。

圖4 關鍵截面示意圖

E1縱向地震作用和E1橫向地震作用下的結構地震彎矩響應分布如圖5所示。鑒于篇幅，軸力、剪力及E2地震作用內力響應圖未列出。

圖5 結構內力響應

E1地震作用和E2地震作用下，橋墩關鍵截面內力值分別見表2和表3。需要說明的是，列表中軸力壓為正，拉為負。

表2 E1地震作用結構內力響應

表3 E2地震作用結構內力響應

4 抗震性能分析

4.1 分析方法

為滿足本橋“小震不壞，大震不倒”的抗震設防目標，應分別進行E1作用下的強度計算和E2作用下的延性計算。鑒于本橋由靜力計算所確定的截面尺寸較大，經試算，E1作用下強度滿足要求，且具有較大冗余度。依據E1地震響應計算數據及長期設計經驗，在該截面尺寸下，橋墩仍有可能在E2地震作用下保持彈性。

抗震性能驗算中，假設在永久作用+E2地震作用下橋墩仍處于彈性狀態，不對其截面剛度進行折減，計算橋墩關鍵截面是否仍保持彈性。

4.2 橋墩抗彎能力驗算

橋墩截面為矩形截面，墩頂截面尺寸為3.2 m×3 m，墩底截面尺寸為3.2 m×5 m，依據靜力計算，其配筋情況為：主筋為三層直徑40 mm鋼筋，層距和間距均為15 cm；凈保護層厚度為4 cm；墩底、墩頂加密段長度5 m，箍筋直徑16 mm，間距10 cm，其余正常段箍筋直徑16 mm，間距15 cm。

表4列出了恒載+E2地震作用下的橋墩關鍵截面抗震性能驗算結果。驗算結果表明，橋墩截面仍保持為彈性，且具有較大冗余度。

4.3 樁基抗彎能力驗算

樁基由于其在地震作用下受損后無法修復，設計時應按能力保護構件計算，要求在E2地震作用下保持彈性。由于本橋E2地震作用下橋墩仍保持在彈性狀態，故樁基計算時可直接采用彈性計算結果。計算時按現行《公路橋涵地基與基礎設計規范》（JTG D63—2007），根據承臺底內力按樁基礎規范得到單樁最大彎矩，按最小單樁軸力驗算樁身抗彎強度。樁基采用直徑2.0 m，配筋為32根直徑2.8 cm HRB400鋼筋。

恒載+E2地震作用下單樁最大彎矩、最不利軸力及驗算結果見表5。由計算結果可知，樁基保持在彈性狀態且具有一定冗余度。

表4 E2地震作用下橋墩關鍵截面內力驗算結果

表5 E2地震作用樁基關鍵截面內力驗算結果

5 結語

建立了空間動力計算有限元模型，并進行了結構動力特性分析，然后采用反應譜分析法和時程分析法分別對E1（重現期100 a，小震）地震作用和E2（重現期約2 000 a，大震）地震作用下的結構地震響應進行了分析，并對其抗震性能進行了驗算，得到以下結論：

（1）在 E2（重現期約 2 000 a，大震）地震作用下，橋墩及樁基關鍵截面仍處于彈性狀態。結構抗震性能總體滿足“大震不壞”，遠高于乙類橋梁“小震不壞，大震可修”的抗震設防水平。

（2）大懸臂橋梁截面尺寸擬定合理，抗震設防措施得當，也具有強橋的抗震能力。

[1]GB 18306—2001，中國地震動參數區劃圖[S].

[2]CJJ 166—2011，城市橋梁抗震設計規范[S].