某高速公路變高連續梁橋抗震性能分析

沈 敏 吳徐華

中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙 410014

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01-2008，以下簡稱《抗震設計細則》），高速公路上的橋梁結構抗震設防類別絕大部分屬于規則中的B類橋梁，因此，反應譜法是公路橋梁結構抗震設計中最為常用的方法。本文以某高速公路50m+90m+50m變高連續梁橋為研究對象，基于RM Bridge有限元分析軟件建立動力分析模型分析結構的動力特性，同時，采用反應譜方法研究橋墩及樁基在E1、E2地震作用下的反應，以期為同類橋梁的抗震設計提供參考。

1 工程概況

某高速公路大橋全長756.4m，其中主橋跨越地方水系，其上部結構采用50m+90m+50m變截面預應力混凝土連續箱梁，左右分幅，單幅橋寬16.25m，主墩墩身采用矩形實體墩，截面尺寸為8.75m×3.0m（橫橋向×順橋向），墩柱高度約為5.4m，基礎采用承臺下接群樁基礎，承臺平面尺寸為13.2m×8.2m（橫橋向×順橋向），厚3.5m，群樁基礎由6根D200鉆孔灌注樁組成；過渡墩為蓋梁下接圓柱式墩，墩柱直徑為D220，基礎為啞鈴型承臺下接群樁基礎，承臺厚2.5m，群樁基礎由4根D160鉆孔灌注樁組成。

主橋4#墩采用GPZ 27.5GD及GPZ 27.5SX盆式橡膠支座；5#墩采用GPZ27.5SX及GPZ 27.5DX盆式橡膠支座；3#、6#過渡墩采用GPZ 4.0DX及GPZ 4.0SX盆式橡膠支座。

2 性能目標與驗算原則

根據《橋址區工程場地地震安全性評價報告》中：對應中震，橋址區50年超越概率10%時，地震動峰值加速度為69.8gal（約0.07g）；對應大震，橋址區50年超越概率2.5%時，地震動峰值加速度為102.6gal（約0.10g）。根據《抗震設計細則》，本橋抗震設防類別為B類，抗震設防烈度介于6～7度之間，安全起見，本橋采用E1地震作用、E2地震作用兩水平設防、兩階段設計。本橋具體抗震設防目標為：（1）E1地震作用下，主梁、橋墩、樁基礎完好無損，橋墩、樁基礎處于彈性工作狀態，結構承載能力驗算滿足要求；（2）E2地震作用下，橋墩等結構構件不需修復或簡單修復后可繼續使用，橋墩抗彎承載力滿足要求，橋墩抗剪和樁基按能力保護構件控制。反應譜分析法采用的相應E1地震作用和E2地震作用下的水平地震加速度反應譜如圖1、圖2所示。

圖1 E1地震作用設計反應譜

圖2 E2地震作用設計反應譜

3 分析模型及分析方法

為準確分析結構的抗震性能，本文基于RM Bridge軟件建立三維空間有限元動力分析模型。支座邊界條件依據實際情況采用連接單元模擬，樁基與樁側土的相互作用采用土彈簧模擬，土彈簧剛度按m計算。有限元計算模型總體坐標系以順橋向為X，橫橋向為Z，豎向為Y。主梁、橋墩采用梁單元模擬，二期恒載作為附加質量，所有質量均采用集中質量矩陣模擬。全橋動力分析模型如圖3所示。

圖3 全橋動力分析模型

采用子空間迭代法，可計算得到該橋的無阻尼自由振動特性。提取前5階自振頻率如表1所示，一階振動模態如圖4所示。

表1 前5階自震頻率及震型特征表

圖4 第一階振型圖

根據《抗震設計細則》，本橋按多振型反應譜法分別進行E1、E2地震作用下結構的抗震性能驗算。振型組合時采用CQC法，取前150階振型計算，3個方向的振型參與質量均達到99%。

4 E1地震作用分析結果

對動力分析模型分別進行E1順橋向、橫橋向地震作用分析，求出各控制截面的內力并進行抗彎承載力驗算，正截面驗算取過渡墩墩頂和墩底截面、主墩墩底截面、樁基彎矩最大截面作為驗算控制截面。正截面抗力采用彎矩曲率分析得到，對E1和E2地震材料強度分別采用設計值和標準值。驗算結果表明順、橫橋向E1地震作用下3～6#墩墩柱、樁基相關驗算截面均處于彈性工作狀態，結構承載能力驗算滿足要求。

5 E2地震作用分析結果

對動力分析模型分別進行E2順橋向、橫橋向地震作用分析，求出各控制截面的內力并進行正截面抗彎承載力、抗剪承載力、支座水平位移及水平力驗算。截面抗剪承載能力驗算按《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）執行。相應驗算結果表明順、橫橋向E1地震作用下3～6#墩墩柱、樁基相關驗算截面抗彎、抗剪承載力以及支座位移以及水平承載力均滿足要求。

6 結語

本文基于RM Bridge軟件建立了一座50m+90m+50m變高連續梁的動力計算模型，分析了結構的動力特性，并采用反應譜方法研究了結構在E1、E2地震作用下的響應，最終得出如下結論：

（1）E1地震作用：在縱橋向、橫橋向地震輸入作用組合下，過渡墩、主墩及樁基礎截面地震彎矩小于初始屈服彎矩，截面保持為完全彈性狀態。

（2）E2地震作用：在縱橋向、橫橋向地震輸入作用組合下，過渡墩、主墩及樁基礎截面地震彎矩小于等效屈服彎矩，截面保持為保持彈性狀態。過渡墩、主墩及樁基礎的抗剪強度滿足要求。主橋盆式支座在滑動方向的地震位移小于容許位移，滿足要求。計入擋塊作用后，在固定方向的設計水平力小于容許水平力，滿足要求。