強震區現澆結構橋梁縱向抗震減震分析

沈曉平(蘇交科集團股份有限公司，南京 210000)

1 引言

高速公路中互通現澆結構橋梁是高烈度區公路生命線工程的重要組成部分，對其進行抗震分析以提高橋梁抗震能力是至關重要的。為了探討該類橋梁的抗震性能，本文借助抗震計算專用程序，結合橋梁的結構特點，建立了全橋空間有限元模型[1，2]，對其進行基本動力特性計算、彈性反應譜分析以及非線性時程分析，為此類橋梁的抗震設計提供借鑒。

2 橋梁概況

某項目采用雙向四車道高速公路標準，設計速度為120km/h。選取橋寬為19.5m 的典型預應力混凝土現澆箱梁進行建模計算分析。跨徑布置為3×30m，總長90m，上部結構形式為預應力混凝土現澆梁，高度為1.7m；下部結構1#、2#、4#橋墩采用φ1.4m 柱式墩，φ1.5m 樁基礎；3#橋墩采用3-2m×0.9m 薄壁墩（落于中分帶內），15.5m×2.5m×2.5m承臺接4 根φ1.5m 樁基礎。

3 抗震設計參數

根據工程場地地震安全性評價報告可知，橋位場地條件為Ⅲ類，設防烈度為Ⅷ度，E1 地震作用的場地地震動峰值加速度為0.216g，場地特征周期為0.75s；E2 地震作用的場地地震動峰值加速度為0.45g，場地特征周期為0.9s，結構阻尼比為0.05。計算用時程曲線直接取用安評報告中提供的3 條地震波。研究了結構在E1 地震（重現期100a）和E2 地震（重現期2 000a）2 種設防水準地震輸入下的縱橋向地震響應。根據JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》要求，本橋抗震分析計算模型按照地質情況考慮樁土相互作用，等代土彈簧的剛度采用m 法計算[2]。

4 非線性動力模型及結構動力特性

本文采用MIDAS 程序，建立本聯的動力計算模型，模型中考慮了p-Δ 效應，本聯動力計算模型如圖1 所示。

圖1 本聯動力計算模型

支座是橋梁的重要連接構件，根據計算需要橋墩均采用摩擦擺式減隔震支座，摩擦擺式減隔震支座受到的地震作用較小時，依靠上部自重與橋梁之間的靜摩擦力，來充分保障橋梁的穩定性，當受到的地震力較大時，支座按照一定的周期發生單擺運動，使橋梁上部結構受到的地震作用力不再向下部結構傳遞，摩擦擺支座的周期和剛度通過選取合適的滑動表面曲率半徑來控制，阻尼由動摩擦系數來控制[3]。地震時程反應分析中對摩擦擺支座按照荷載-位移滯回曲線模型來模擬其力學性能。

結構前6 階振型、頻率及振型特征可根據動力計算模型，進行結構動力特性分析可得，詳見表1。

表1 計算模型基本動力特性

5 計算結果

由JTG/T 2231-01—2020 中3.4.2 可知，E1 和E2 地震輸入下，各橋墩墩底、墩頂截面為地震反應控制截面。本文僅對結構縱橋向地震響應結果進行分析。

5.1 E1 地震作用下結構地震響應

利用非線性時程分析方法，在E1 地震作用輸入下，可以得到各橋墩墩底截面地震響應（見表2）、單樁最不利截面地震響應（見表3）。

表2 各橋墩墩底截面地震響應（縱向輸入）

表3 單樁最不利截面地震響應（縱向輸入）

5.2 E2 地震作用下結構地震響應

利用非線性時程分析方法，在E2 地震作用輸入下，可以得到各橋墩墩底截面地震響應（見表4）、單樁最不利截面地震響應（見表5）。

表4 各橋墩墩底截面地震響應（縱向輸入）

表5 單樁最不利截面地震響應（縱向輸入）

E2 地震輸入下摩擦擺支座的計算位移見表6。

表6 E2 地震下支座位移驗算（隔震周期4s）

根據以上時程分析結果，對各橋墩在縱橋向墩底截面與單樁最不利截面進行了抗震驗算，當采用HRB500 高強鋼筋后，立柱和樁基配筋率分別為1.15%和1.26%時，各墩底截面均可保持彈性狀態，抗震性能可以滿足要求。

6 結語

通過對強震區現澆結構橋梁的抗震性能分析，可以得出如下結論：

1）減隔震前該類橋梁的一階振動形式常以縱向振動為主，自振周期較小，由于橫向框架墩的縱橫向剛度差異，橫向振動往往出現在縱向振動之后；

2）反應譜計算及時程分析計算均表明，橋墩墩底截面和樁頂截面為抗震控制關鍵截面，應加強配筋以滿足JTG/T 2231-01—2020 中抗震性能的要求；

3）應合理控制摩擦擺支座隔震周期，控制結構最大位移以避免造成伸縮縫設計困難和橋梁之間相互碰撞；

4）E1、E2 地震作用下，橋梁所采用的減震技術方案有效地改善了下部結構的受力狀況，抗震性能大大提升，實現了橋梁的抗震設防目標。

希望通過本文的研究可為類似橋梁的抗震設計提供參考。