高烈度區曲線連續梁減隔震設計

尹 臻

（上海市政工程設計有限公司，上海市200092）

0 引 言

橋梁工程作為具備跨越連接能力的結構形式，在城市交通體系中扮演著不可或缺的角色。地震造成的橋梁破壞不僅會影響人類的交通出行和社會經濟發展，而且會對震后的救援工作帶來極為不利的影響，導致地震次生災害的加速發展[1]。

在城市日新月異的發展過程中，由于道路專業平面線性需要，曲線連續梁這種橋梁結構形式越來越多地出現在現代城市交通系統中，比如城市立交、機場樞紐和城市生態環形步道橋等。

烏魯木齊市地處地震基本烈度8度區，屬于地震高烈度地區，同時曲線連續梁是應用非常廣的一種橋梁結構形式。因此，本文以烏魯木齊市安寧渠路(機場段)道路改線工程為工程背景，采用數值模擬方法，進行高烈度區曲線連續梁的地震反應分析與驗算。

1 工程背景介紹及有限元模型

1.1 工程概述

本文依托安寧渠路(機場段)道路改線工程，主橋跨徑為35m+35m的2跨等截面連續鋼箱梁橋，位于曲線半徑R=100m的道路平面上（見圖1）。主橋兩側各建一聯引橋作為后續結構。兩側引橋跨徑均為35m+35m的2跨等截面連續鋼箱梁橋，位于直線段上。上部結構均采用Q345qE鋼材，下部結構均采用混凝土材料。

圖1 主橋立面圖（單位：m）

主橋和引橋上部結構梁高均為1.8m。截面如圖2所示。

圖2 主橋和引橋橫斷面圖（單位：mm）

全橋支承體系布置示意如圖3所示。支座均采用高阻尼隔震橡膠支座。

圖3 全橋支承體系布置示意圖

橋墩墩柱均采用單柱花瓶墩，承臺均采用矩形實心混凝土截面。所有橋墩斷面尺寸均為1.5m×2.0m，承臺斷面尺寸均為5.2m×5.6m，如圖4所示。

橋梁基礎均采用鉆孔灌注樁群樁基礎。所有橋墩基礎布置形式均為整體式承臺下連接縱向2排，每排2根φ1.2m樁基，如圖5所示。中墩和邊墩墩柱底配筋見圖6，樁基配筋見圖7。

圖4 中墩和邊墩布置圖（單位：m）

圖5 樁基布置圖（單位：m）

圖6 中墩和邊墩墩柱底配筋圖（單位：mm）

圖7 樁基配筋圖（單位：mm）

1.2 有限元模型

主梁、墩柱和承臺均采用梁單元模擬。主梁梁單元質量和二期恒載均以線荷載形式加在主梁單元上；墩柱和承臺單元質量以賦予材料質量的形式加在各自單元上。

本文橋梁基礎采用樁基礎。《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ166—2011）[2]第6.2.7條規定：對采用樁基礎的橋梁，計算模型應考慮樁土共同作用，樁土的共同作用可采用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度可采用m法計算。4樁承臺基礎計算結果見表1。

本文支承系統采用高阻尼隔震橡膠支座，全橋支座型號見表2。

表2 主橋支座型號表[3]

本文采用雙線性模型對高阻尼隔震橡膠支座進行模擬。通過設置高阻尼隔震橡膠支座的水平屈服力Qy、初始水平剛度k1和屈服后水平剛度k2等數值，進行非線性時程分析。各參數具體數值見表3。

根據上述模擬方法，以Midas/Civil2019（v2.2）軟件為建模工具，建立全橋有限元基準模型，見圖8。

圖8 全橋空間動力計算模型

2 地震動輸入

2.1 目標反應譜

根據《城市橋梁抗震設計規范》第5.2.1條規定，擬合水平向設計加速度反應譜譜值S。

表1 橋梁群樁基礎6彈簧剛度表

表3 高阻尼隔震橡膠支座參數表

本橋地震基本烈度為8度，水平向地震動峰值加速度A為0.20g，抗震設防類別為乙類。場地類別為II類，所屬的設計地震分區為2區，特征周期Tg為0.40s。

根據規范得出的目標反應譜見圖9。

圖9 水平向加速度反應譜

2.2 加速度時程

根據上節給出的目標反應譜生成人工波，并從與目標反應譜擬合較好的地震波中選取人工波。本文選取1號~3號3組地震波并取最大值，3組地震波加速度時程圖見圖10~圖12。

圖10 1號地震波加速度時程圖

圖11 2號地震波加速度時程圖

圖12 3號地震波加速度時程圖

2.3 地震動輸入方向

本文地震反應分析中，考慮水平方向和豎向的地震輸入。對于曲線橋梁，分別沿相鄰2橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進行多方向地震輸入，以確定最不利地震水平輸入方向[2]。本文地震水平輸入方向見表4。

表4 地震水平輸入方向表

3 E2基于非線性時程的地震反應分析與抗震驗算[4-5]

3.1 非線性動力計算模型

本文采用非線性動力時程分析法，建立減隔震橋梁的非線性動力模型。考慮高阻尼隔震橡膠支座的非線性力學特性，其恢復力模型采用雙線性模型。

3.2 地震反應

采用前述3組地震加速度時程分別進行水平向和豎向輸入，對建立的動力計算模型進行非線性時程分析，地震反應分析結果取3組時程結果的最大值。表5~表7分別列出了各橋墩墩柱關鍵截面內力、承臺底內力以及高阻尼隔震橡膠支座響應的最大值。

表5 各橋墩關鍵截面地震切向和法向內力表

表6 承臺底最大地震切向和法向內力響應表

表7 支座切向和法向的最大地震響應表

3.3 抗震驗算

根據《城市橋梁抗震設計規范》第9.4.1條和第9.4.2條的規定，E2地震作用下，橋梁墩臺與基礎的驗算，應將減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數，并與恒載內力進行組合，得到各控制截面的最不利內力。對于高阻尼隔震橡膠支座，E2地震作用下產生的剪切應變必須在250%以下，并應校核其穩定性。

在進行E2地震作用下抗震驗算時，本橋的荷載組合主要是恒載與地震荷載的組合。由于橋墩墩柱為偏心受壓構件，其恒載與地震作用的最不利組合為：（1）軸力為恒載軸力減去地震軸力；（2）彎矩為恒載彎矩與地震彎矩之和。

3.3.1 橋墩抗彎驗算

計算出的各墩恒載內力以及恒載與地震內力最不利組合見表8，表中的地震彎矩考慮了減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數。

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362—2018）中偏心受壓構件承載能力計算公式，計算出的各墩柱關鍵截面抗彎承載能力見表9。由表9可知，在最不利軸力作用下，各墩柱關鍵截面抗彎承載力均滿足規范要求。

表8 各橋墩關鍵截面切向和法向最不利內力組合表

表9 地震作用下墩柱切向和法向抗彎強度檢算表

3.3.2 基礎

根據表6中承臺底最大內力響應的計算結果，考慮減隔震裝置傳遞的水平地震力除以1.5的折減系數后，計算出單樁最不利內力地震響應，與單樁恒載內力組合后，驗算單樁在最不利軸力作用下的抗彎承載力。各墩最不利單樁抗彎承載能力驗算結果見表10。

表10 各橋墩單樁最不利截面抗彎能力驗算表

3.3.3 支座

4 結語

本文以烏魯木齊市安寧渠路(機場段)道路改線工程為工程背景，采用減隔震設計方法，對E2地震作用下高烈度區曲線連續梁結構進行非線性時程分析，并以Midas/Civil2019（v2.2）軟件為工具，進行地震反應分析與驗算，對該類橋梁的減隔震設計提供了有益的參考。

表11 地震作用下支座變形