嫩江大橋主橋下部抗震分析

高 峰

(吉林省交通規劃設計院，吉林 長春 130021)

1 項目概況

以嫩江大橋的主橋為工程背景，該主橋為(70+2×120+70)m半剛構—連續梁橋，為B類非規則橋梁，必須進行E1地震作用和E2地震作用下的抗震設計，E1地震作用下驗算結構構件的強度，E2地震作用下驗算結構構件的強度與變形。該橋主梁為預應力混凝土單箱單室變截面箱截面，主墩采用雙薄壁實心矩形橋墩，橋臺采用肋板臺，邊墩采用雙柱式實心矩形橋墩，C40混凝土，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，C30混凝土。該橋址地震基本烈度值為7度，場地類型Ⅲ類。

2 E1地震作用下，地震力計算及強度驗算

E1地震作用分析時采用多振型反應譜法，按順橋向和橫橋向分別輸入加速度反應譜計算地震反應。混凝土結構阻尼比取為0.05，根據《工程場地地震安全性評價報告》，確定該工程場地設計地震動加速度反應譜曲線見圖1。

抗震分析模型中考慮了樁土的共同作用(作用位置在一般沖刷線以下)，計算出承臺底群樁基礎的耦合剛度。E1地震作用下按橋墩受力最不利情況考慮，即不考慮滑動墩對地震力的分擔作用，順橋向地震力全部由固結墩承擔，橫橋向地震力由各橋墩共同承擔。由于引橋在邊墩處設置滑動支座，因此不考慮順橋向相鄰引橋對主橋震動的影響，橫橋向作用將引橋上部反力轉化為節點質量來考慮。2號墩為固結墩，墩頂節點與主梁剛性連接；其余橋墩順橋向自由，橫橋向及豎向采用大剛度約束位移。二期荷載轉化為X，Y，Z三方向的節點質量；地震力分析時只考慮水平地震力作用，即分別計算順橋向X與橫橋向Y的地震作用。

使用有限元程序Midas進行分析計算，動力模型見圖2。

根據動力計算模型，采用多重Ritz向量法計算得到該橋的動力特性，特征值分析結果如表1所示。

表1 模型動力特性

主橋下部橋墩各控制截面地震力結果如表2所示。

表2 控制截面地震力

公路橋梁抗震設計應考慮永久作用及地震作用，組合方式應包括各種效應的最不利組合。同時根據《公路橋涵設計通用規范》，分別按照承載能力極限狀態及正常使用極限狀態，對各種作用進行組合，橋墩在地震作用、永久作用及可變作用下荷載組合(經試算風荷載及流水壓力對橋墩作用效應較小，組合中沒有計入)，計算得到橋墩結構配筋。

3 E2地震作用下，抗震計算

根據兩水平的抗震設計思想，E2地震作用下，要采用延性抗震設計方法，引入能力保護構件設計原則，使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異，確保結構構件不發生脆性破壞。選擇地震中預期出現塑性鉸的合理位置，保證結構形成一個適當的塑性耗能機制，確保塑性鉸只出現在選定的位置，以保證地震破壞只發生在一座橋梁預定的部位，而且是可控的。通過強度和延性設計，確保塑性鉸區域截面的延性能力。

順橋向地震力作用下，固結墩柱的端部區域為塑性鉸區域，因此選定固結墩墩頂和墩底作為塑性鉸區域,其他墩按彈性計算考慮，不進入塑性狀態；沿橫橋向，固結墩及過渡墩選定端部區域為塑性鉸區域，其他橋墩選定底部區域為塑性鉸區域。采用纖維截面模擬塑性鉸作用，可以準確模擬受彎構件、偏心構件的力學特性，同時也可以考慮截面內纖維的局部損傷狀態，模型中，程序自動計算非彈性剛度。根據材料性質不同，將橋梁墩柱截面分為保護層混凝土、核心混凝土、鋼筋幾部分，通過彈塑性纖維梁—柱單元模擬鋼筋混凝土墩柱，根據材料不同，分為混凝土纖維和鋼筋纖維。對預期會出現塑性鉸的區域進行細致的配筋設計，保證其延性抗震能力，塑性鉸區的橫向鋼筋不僅約束混凝土，提高其抗壓強度和延性，同時也要防止縱向鋼筋發生壓潰屈曲。

E2地震作用下，考慮支座邊界非線性作用，采用滯后系統模擬支座，考慮支座的滑動摩阻力的影響。阻尼采用瑞麗阻尼。另外計算中，也考慮了相鄰結構和邊界條件的影響，將相鄰一聯橋梁也建入計算模型。塑性鉸材料特征參數按抗震細則給定公式取用。

E2采用2000年重現期地震動時程，地震安評報告結果提供了7條地震動時程曲線。為了進行抗震的時程驗算，以橋址地表設計反應譜為目標譜進行人造地震動合成。計算選取一般沖刷線處，2000年重現期地震時程為地震輸入(圖中僅示出一條時程曲線)，如圖3所示。

3.1 計算參數選取

混凝土采用Kent & Park滯回模型模擬，可以考慮橫向約束鋼筋的約束效果。鋼筋采用Menegotto-Pinto滯回模型模擬，具有計算效率高、與試驗結果吻合較好的特點(見圖4，圖5)。

依據《抗震細則》，確定纖維材料本構特征值，建立纖維截面。

3.2 E2時程計算結果

E2地震作用下對延性構件(固結墩)驗算變形，對非延性構件及能力保護構件驗算強度。根據E1計算結果考慮自由墩按彈性設計，選定固結墩墩頂及墩底為塑性鉸區。根據《公路橋梁抗震設計細則》，時程分析的最終結果，當采用7組時程波計算時，應取7組計算結果的平均值。

1)墩梁相對位移結果(僅示出部分結果)(見圖6，圖7)。

2)延性構件驗算。順橋向對固結墩墩底及墩頂，進行塑性鉸區域抗剪強度及轉動能力進行驗算；橫橋向對固結墩墩底及墩頂，其余各個橋墩墩底進行塑性鉸區域抗剪強度及轉動能力進行驗算，結果表明，在E2地震力作用下，該結構延性構件橫橋向及順橋向變形均滿足規范要求。順橋向和橫橋向E2地震作用效應和永久作用效應組合后，按設計規范相關規定驗算橋墩強度，結果表明，該結構仍采用正常使用極限狀態組合配筋結果，處于彈性工作范圍。

4 結論

1)本橋結構基頻小于一般連續剛構體系的基頻，表明雙薄壁墩設計在一定程度上使橋梁整體結構具有柔性特征，該橋墩結構設計是合理的。2)經過與E1地震作用效應和永久作用效應驗算橋墩強度對比，本橋橋墩強度由正常使用極限狀態控制。3)結果表明，基于延性設計的理念，對于塑性鉸區域的設計和處理是合理的，有效地提高了橋梁結構的抗震能力。