大型城市立交地震響應分析

■宋 丹，田小紅 ■.西安市政設計研究院有限公司，陜西 西安 70068;.西安理工大學，陜西 西安 70054

隨我國城鎮化發展，城市交通問題愈來愈突出，解決有效手段是城市立交建設。立交橋梁作為連接交通運輸樞紐，是生命線工程，一旦遭受地震破壞，不但導致直接經濟損失，也為震后救援以及重建工作帶來不便而導致二次損失。因此立交橋梁抗震研究有十分重要。

目前城市橋梁抗震設計已從彈性設計階段向延性設計方向發展，而規范對規則橋梁給出簡化分析方法，但對不規則橋梁并沒有給出具體規定。本文從實際工程出發，以某工程為例，詳細介紹城市立交異形橋梁延性分析過程，對不規則橋梁抗震性能進行分析，可為類似結構設計計算提供參考。

1 概述

某大型立交橋為三層部分互通式立交，由主線橋和三個匝道橋組成，其主線橋均為預應力混凝土現澆連續箱梁，跨徑25～30 米左右，梁高1.6m;橋面寬度25.5～32.5 米，采用雙箱多室直腹板箱梁。匝道橋均采用20 米左右鋼筋砼結構，梁高1.4 米，橋面寬度8 米。立交橋下部橋墩采用直徑1.5m 圓柱墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑1.5 米。計算選取其具有代表性東西主線橋第四聯進行抗震計算，橋墩高度5～8.3 米。第四聯橋梁平面布置和橫斷面布置詳見圖1 和圖2。

圖1 橋梁平面布置圖

圖2 橋梁橫斷面布置圖

2 抗震設防水準及性能目標

據《城市橋梁抗震設計規范》(CJJ166-2011)，城市橋梁采用兩水準設防、兩階段設計思想進行抗震設計，據規范，本橋為乙類橋梁，第一階段(E1 地震作用)抗震設計，采用彈性抗震設計;第二階段(E2 地震作用)抗震設計，采用延性抗震設計方法，并引入能力保護設計原則。

3 計算方法和有限元模型

計算采用MIDAS Civil 空間有限元程序建立第四聯模型，并考慮相鄰兩聯對第四聯影響。建模原則是保證正確反映橋梁上部結構、下部結構、支座和地基剛度、質量分布及阻尼特。板式橡膠支座采用彈性連接來模擬主梁和橋墩的相互作用，基礎采用彈性地基模擬樁基礎。計算方法E1 作用采用多振型反應譜法，E2 作用采用彈塑性時程分析法。

圖3 計算模型

4 地震動輸入

該橋位處地震動抗震設防烈度為8 度，水平向設計基本地震動加速度峰值A=0.2g，場地類別為Ⅲ類，特征周期:Tg=0.45，本計算采用雙指標控制和相關系數較小原則，選取選取1940，El Centro Site，270 Deg、1952，Taft Lincoln School，339 Deg、1994，Northridge，Santa Monica，City Hall Grounds，0 Deg 三條實錄波作為時程分析用地震波。

圖4 El Centro 波

圖5 Taft 波

圖6 Northridge 波

5 地震反應分析

5.1 E1 作用計算

E1 作用計算采用多振型反應譜法，在E1 地震作用下，橋墩作用效應均小于設計承載能力，滿足規范規定的在E1 地震作用結構不受損壞要求。具體計算結果因篇幅限制，不再列出。

5.2 E2 順橋向地震作用

圖7 11#東側橋墩墩底截面彎矩曲率滯回曲線

在E2 地震作用下，墩柱允許進入塑性狀態，但要求有一定變形能力。本橋在E2 順橋向地震作鉸區塑性變形和容許變形比較用下，除11a#墩和12a#墩未進入屈服外，其余墩均進入屈服狀態，11#東側和西側墩屈服現象明顯，塑性變形相對較大，但仍遠小于其容許塑性變形。各屈服墩柱的塑性變形和其允許變形見表1(表中列出三個地震波計算最大值)。

表1 順橋向地震作用墩柱潛在塑性

圖8 11#西側橋墩墩底截面彎矩曲率滯回曲線

5.3 E2 橫橋向地震作用

在橫橋向地震作用下，大部分橋墩進入屈服，個別橋墩塑性變形已有一定程度，但仍未達到允許值，結構仍能實現大震不倒。各墩彎距和塑性變形如表2 所示。

圖9 12a#橋墩墩底截面彎矩曲率滯回曲線

表2 橫橋向地震作用墩柱潛在塑性鉸區塑性變形和容許變形比較

5.4 橋墩抗剪驗算

=0.85x (0.0023x4.837x15393+3.14159/2x0.1x4.02x150x280/10)=2400kN

E2 地震作用下各橋墩最大計算剪力為1420kN，小于抗剪承載能力，抗剪承載力滿足要求。

6 結論

綜上，針對本工程城市立交橋進行彈塑性抗震計算，可知在順橋向地震作用下墩底受力最大，為塑性鉸容易出現區域;橫橋向在連接墩處，因蓋梁門式效應，墩頂和墩底均為出現塑性鉸區域。軟件采用纖維模型進行塑性鉸仿真，可比較真實、直觀體現地震力作用下墩柱反應。墩柱通過延性設計來降低剛度、延長周期，抵抗地震力，計算結果表明采用該方法構件均能滿足抗震要求。

［1］謝旭.橋梁結構地震響應分析與抗震設計［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［2］M.J.N.普瑞斯特雷等著，袁萬成等譯.橋梁抗震設計與加固［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［3］聶利英.橋梁抗震非線性分析理論研究［D］.上海:同濟大學，2002.