橋梁抗震性能計算分析

花尉攀 李凱峰

(安陽職業(yè)技術學院,河南 安陽 455000)

我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶之間，受板塊與板塊的擠壓，地震斷裂帶十分活躍。根據(jù)近幾十年的地震災害數(shù)據(jù)可知，地震對橋梁工程造成了嚴重破壞，因此橋梁抗震性能分析日益重要[1]。我國抗震設計分析常用兩種方法，一是基于強度抗震設計分析法，二是基于位移的抗震設計分析法，普遍采用兩水準、兩階段的抗震設計思想；而現(xiàn)在能力設計分析方法被專家學者所青睞，三水準抗震設防分析設計原則被廣大學者所接受[2,3]。我國的橋梁抗震設計規(guī)范編制基本完備，但地震荷載反應比較復雜，抗震設計計算分析也隨之比較復雜[4]。因此，橋梁抗震反應分析就顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

本文研究分析的對象為某市中環(huán)快速化改造工程橋，橋梁寬度為8.5 m，跨徑為3×30 m一聯(lián)的典型橋梁，場地為平原區(qū)，區(qū)域內無全新活動斷裂和地震斷裂存在及其他不良地質作用，穩(wěn)定性較好。該橋的地震設防烈度屬7度，沒有液化土層。場地土類型屬中軟土，覆蓋層厚度大于50 m，場地類別屬Ⅲ類，設計加速度反應譜特征周期值為0.45 s。

1.2 地震動輸入

根據(jù)地質勘查報告該橋所處地區(qū)反應譜參數(shù)見表1。根據(jù)橋梁抗震細則規(guī)范中反應譜計算方法的規(guī)定[5]，計算反應譜公式見式(1)，式(2)：

(1)

Smax=2.25CiCsCdA

(2)

其中，Tg為特征周期,s；T為結構自振周期,s；Smax為水平地震加速度反應譜最大值。

表1 反應譜參數(shù)

2 有限元計算模型

計算模型采用大型非線性有限元軟件模擬實橋，對該橋進行內力、位移計算分析及地震響應下的動力分析。計算結果組合原則為：1.0×自重效應+地震效應，其中“自重”為計算模型質量參數(shù)，包含二期恒載，“地震效應”指抗震分析的效應值。在地震反應分析中，均考慮豎向地震分量和水平向地震分量的組合，組合的原則為：地震輸入量=豎向分力+水平分力，其中豎向分力取值為1/3的水平分力，本文所有荷載組合中的“橫豎E1地震”“縱豎E1地震”均指該原則組合的地震動輸入。計算結果中軸力為正值，在考慮地震軸力為拉力的不利效應時，采取“自重”作用下的軸力與反應譜計算的軸力的差值作為軸力結果。剪力和彎矩則為“自重”和反應譜計算結果的絕對值的疊加。三聯(lián)橋梁支座布置形式相同，本文僅給出第二聯(lián)的地震響應，第二聯(lián)的編號順序為MB3～MB6；支座橫向的編號原則從左向右分別為MB3-1,MB3-2；樁基礎的編號順序為MB3，MB4，MB5，MB6-1，MB6-2。

3 橋梁的地震反應分析

表2 墩內力表

由表2數(shù)據(jù)分析可知，除MB4號固定支座約束墩在縱向E1地震作用下受力較大以外，其余各墩在縱向E1地震作用下受力較為均衡；在橫向E1地震作用下中間各墩受力較均衡，MB6位于橋梁變寬處，與寬幅橋其他墩共同工作，受力較大。

表3 E2地震作用下樁內力表

由表3數(shù)據(jù)分析可知，除MB4號固定支座約束墩下的樁基在縱向E2地震作用下受力較大以外，其余各樁基在縱向E2地震作用下受力都較為均衡；在橫向E2地震作用下各樁基(除MB6-1外)受力變化幅值較小。但是在橫向E2作用下各樁基都會出現(xiàn)拉力。當樁基出現(xiàn)上拔力時，樁基按最小配筋率設計時，不能滿足抗震要求，部分樁基需要增加到1.6%的配筋率才能滿足地震承載力要求。固定支座下MB4樁基在縱向地震作用下不能滿足地震承載力要求。

表4 E1地震作用下支座內力和位移

由表4數(shù)據(jù)分析校核結果可知，在縱橫向滑動支座都可以滿足在E1地震作用下支座的位移能力的要求，所有縱橫向約束支座都可以滿足支座抗剪的要求；支座豎向承載力滿足要求，橫橋向允許位移±40、縱橋向允許位移±150。

表5 E2地震作用下支座內力和位移

由表5數(shù)據(jù)分析校核結果可知，縱橫向滑動支座都可以滿足在E2地震作用下支座的位移能力的要求；縱向約束支座都能滿足抗剪要求，橫向部分不能滿足抗剪要求；支座豎向承載力滿足要求，橫橋向允許位移±40、縱橋向允許位移±150。

表6 墩頂位移能力校核表 m

由表6數(shù)據(jù)可知，在E2地震作用下所有墩的位移延性能力都滿足抗震要求。

4 結語

本文基于三水準抗震設防分析設計原則，對某市中環(huán)快速化改造工程橋進行了數(shù)值模擬，得出了以下結論：

1)縱向地震荷載作用下，該聯(lián)橋梁下部結構受力均衡(縱向固定支座下墩、樁除外)；橫向地震荷載作用下，變寬軸線上的墩及樁基礎受到寬幅橋上的其他墩柱耦合受力影響作用下，其受力狀況比同聯(lián)其他墩柱大。

2)根據(jù)JTG/TB02—01—2008抗震細則要求的最小縱向配筋率6‰配筋，該聯(lián)橋所有橋墩均可滿足一階段抗震設計的截面抗彎承載力的要求；采用細則規(guī)定的最小配箍率4‰時，所有橋墩的位移延性能力都滿足抗震要求。

3)在E2地震荷載作用下，所選用的支座在橫橋向和縱橋向允許滑動位移均滿足規(guī)范要求；聯(lián)端處支座抗剪承載力選用豎向承載力的30%、其余支座抗剪承載力為豎向承載力20%，可滿足規(guī)范規(guī)定的支座抗剪承載力要求。

4)在E2地震荷載作用下，部分樁內軸向壓力較大，也有可能出現(xiàn)較大的拉力，設計時根據(jù)試樁情況驗算樁的豎向承載力。縱向約束墩下基礎采用兩樁遠不能滿足承載力要求，需增加樁基數(shù)量或加大樁基直徑提高樁基礎的縱向承載力；橫向地震作用下，變寬軸線處樁需提高配筋率至1.6%或增加樁基數(shù)量提高樁基礎的橫向承載力方可滿足抗震要求，其余樁需提高配筋率至1.0%以滿足抗震要求。