3×20m跨徑高低墩斜交梁式橋抗震分析

朱庚申

(云南省設計院集團有限公司 昆明市 650228)

1 工程概況

某公路橋上部為3×20m跨預應力混凝土簡支梁，橋面連續，通過調整濕接縫寬度實現橋面變寬，預制T梁高度為1.1m，為密肋式矮T梁結構形式，中主梁懸臂長0.5m，邊主梁外懸臂長0.55m，頂板厚0.16m，T梁腹板跨中區域到支點采用變截面形式，主梁采用C50混凝土。下部結構橋墩采用柱式墩，高低墩形式布置，墩間距為5.5m，墩徑為1.4m，材料為C35混凝土，樁徑1.5m，材料為C30混凝土，其中樁系梁材料與樁基一致，橋臺采用柱式臺形式，材料為C35混凝土。

主梁支座采用板式橡膠支座形式，其中橋臺支座形式為GJZF4250×300×54，橋墩支座形式為GJZ250×300×52，預制T梁縱橋向兩端均設置減震橡膠塊。橋型布置圖如圖1所示。

2 主要技術標準與抗震分析模型建立

本橋主要技術標準如下：

(1)橋面變寬，防撞護欄寬0.5m，0#橋臺橋跨線處橋寬B=9467.7mm，1#橋墩橋跨線處橋寬B=9487.9mm，2#橋墩橋跨線處橋寬B=10475.6mm，3#橋臺橋跨線處橋寬B=10768.3mm。

(2)設計安全等級：一級。

(3)設計荷載:公路-I級。

(4)設計行車速度：80km/h。

(5)抗震設防標準：抗震設防類別B類，地震動峰值加速度0.20g，區劃圖上特征周期0.45s。

(6)環境類別：Ⅱ類。

(7)結構設計基準期：100年。

采用Midas/Civil 2019軟件進行抗震相關計算分析。其中主梁、橫梁、墩柱、樁基、系梁均采用空間梁單元模擬，為簡化計算，主梁邊支撐僅考慮板式橡膠支座剛度，不再考慮邊墩蓋梁、墩柱、樁基與支座的剛度耦合。利用節點彈性支撐模擬樁—土相互作用，其順橋向、橫橋向及豎向約束剛度采用M法計算[1-3]。

所建立的抗震分析Midas/Civil有限元模型如圖2所示。本橋為多片斜交T梁，為準確反映整體結構力學行為，上部結構采用梁格法建模。橡膠支座作用采用線性彈簧模擬，板式橡膠支座縱橫向彈簧剛度計算如下：

全橋約束如下：板式橡膠支座Dy和Dz按照剛度k進行約束，豎向剛度設置為無限大，不約束轉角位移；滑板式橡膠支座除豎向剛度無限大外，其他約束均自由。樁土相互作用按照M法進行輸入，根據規范該橋地基土比例系數取30000kN/m4。考慮地震作用的土彈簧，m動=(2～3)m靜，在計算模型中本次按照3倍考慮[4]。

圖2 抗震分析Midas/Civil有限元模型

3 最不利地震輸入方向確定

本橋E1和E2地震分析均采用多振型反應譜法。本橋為斜交橋，動力特性區別于直線橋，不能按照直線橋方法直接確定地震輸入方向。在Midas/civil抗震計算模型分析時，全橋只能確定一組地震輸入方向(橫向+縱向)，結合規范曲線橋分析方法[5]，本橋取圖3中的四組工況以確定最不利輸入方向。

圖3 地震輸入方向示意

分別以1#橋墩和2#橋墩為關注構件，通過分析內力(軸力、剪力、彎矩和扭矩)情況，確定最不利地震輸入方向。在內力分析時，本橋橋墩均為高低墩設置，低墩受力相對不利，因此以低墩墩頂和墩底內力為關注位置，以E1地震作用為例，1#低墩和2#低墩墩頂墩底4種工況內力對比情況如圖4所示。

由圖4得知，1#橋墩4種工況順橋向和橫橋向墩頂和墩低軸力和剪力數值相差不大，4種工況中工況3引起截面軸力和剪力Fy數值較大；同時1#橋墩順橋向各工況墩底彎矩My水平較大，橫橋向各工況墩頂彎矩Mz水平較大，工況3相比于其他工況，在墩頂和墩底截面引起較大彎矩。2#橋墩4種工況順橋向和橫橋向墩頂和墩底軸力和剪力數值相差不大，4種工況中工況3引起截面軸力和剪力Fy數值較大；同時2#橋墩順橋向各工況墩底彎矩My水平較大，橫橋向各工況墩頂彎矩Mz水平較大，2#墩內力規律和1#墩一致，工況3相比于其他工況，在墩頂和墩底截面引起較大彎矩。

工況3引起的順橋向和橫橋向橋墩截面內力最為不利，后續地震輸入方向以工況3方向為地震最不利輸入方向，以進行本橋的抗震分析和驗算，減少計算工作量。

4 驗算結果

4.1 E1地震強度驗算

在永久作用和地震作用偶然組合下，橋墩作為偏心受壓構件，驗算結果如圖5所示。

本橋橋墩墩柱截面主筋為36Φ25的HRB400鋼筋,配筋率為1.15%,根據橋墩配筋情況，在Midas/civil中分別輸入橋墩約束混凝土和鋼筋雙折線應力應變特性，得到彎矩-曲率曲線如圖6所示。

提取各墩墩頂和墩底彎矩，最大彎矩位于1#底墩墩底截面，其數值為2418.9kN·m，小于由圖6所得到的橋墩截面初始屈服彎矩3468kN·m，滿足E1狀態下彈性工作要求。

圖4 四種工況下橋墩內力情況

圖5 E1地震橋墩強度驗算結果

圖6 橋墩截面彎矩-曲率曲線

4.2 E2地震強度驗算

本橋橋墩為柱式墩，截面為圓形，直徑D=1.4m，最低墩高為9.481m，橋墩墩頂墩底箍筋加密區設置間距為10cm的雙肢D10HPB300箍筋。依據抗震細則，墩柱的計算長度與截面直徑之比為9.481×1.2/1.4=8.13>2.5，因此，可不進行墩柱在E2地震下的正截面強度計算，僅對斜截面抗剪進行驗算。

計算表明，橫向地震作用下抗剪組合值最為不利，位于2#橋墩墩底截面處，其數值為770.2kN，小于抗剪抵抗值1267.4kN，滿足要求。

4.3 E2地震樁基強度驗算

E2地震作用下，樁基礎應作為能力保護構件進行設計，應使其盡量保持彈性或輕微塑性狀態，樁基礎主筋采用36Φ28的HRB400鋼筋，通過提取截面彎矩-曲率曲線得到樁基礎等效屈服彎矩為6009.26kN·m，樁基礎抗彎能力采用樁身截面等效屈服彎矩，即截面上有部分鋼筋進入屈服，滿足E2地震作用局部發生可修復的損傷，地震發生后基本不影響車輛通行的性能目標要求。

樁基內力由順橋向控制，順橋向樁基E2地震驗算結果見表1。

表1 樁基順橋向驗算結果

本橋樁基最不利彎矩由低墩控制，其中1#橋墩低墩樁基抗彎需求為5471.6kN·m，與等效屈服彎矩相比，能力/需求為1.10，滿足E2地震作用下“結構可修”的性能要求。

5 結論

采用Midas/civil有限元軟件，對某公路3×20m跨徑高低墩斜交梁式橋進行了抗震分析。確定了地震最不利輸入方向并進行了高低墩強度與樁基驗算，驗算結果滿足規范要求。