禾豐樞紐抗震分析

吳飛

摘 要：本文以禾豐樞紐互通區D匝道上預應力混凝土現澆箱梁作為橋梁結構抗震分析對象，采用單自由度體系的簡化分析方法簡化模型，分析橋墩在地震沖擊作用下的損傷情況。通過抗震分析，得出以下研究結果：（1）該段橋墩在E2地震作用下不會遭到破壞;（2）橋墩墩底截面縱向鋼筋均處于受壓狀態，墩底截面保持在彈性狀態，墩底截面塑形轉角近似為0，橋墩變形滿足要求。

關鍵詞：混凝土現澆箱梁;單自由度體系;抗震分析

中圖分類號：U442.5+9 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006—7973（2021）07-0136-03

橋梁結構在全壽命周期內可能遭受地震沖擊，影響橋梁的使用情況。對橋梁結構進行抗震分析，能合理預測橋梁結構的損傷情況。在橋梁結構的延性抗震設計時，一般選取墩柱為抗震單元，通過墩柱的非線性變形消耗地震能量，而其他部件屬于能力保護構件。本文以禾豐樞紐互通區D匝道上預應力混凝土現澆箱梁作為橋梁結構抗震分析對象，分析橋墩在地震沖擊作用下的損傷情況。

1禾豐樞紐項目概況

禾豐樞紐互通區DK0+568.558 D匝道橋上部結構采用6*20m+4*25m+（25m+33m+31m+25m）+（25m+31m+33m+25m） 預應力混凝土現澆箱梁，下部結構采用柱式墩、樁柱臺、樁基礎，橋梁全長454米，墩柱最高15.4米。D匝道跨線橋匝道上跨廈蓉高速公路，且橋梁全長和墩高均為禾豐樞紐互通區橋梁之首，抗震計算時選取25m+33m+31m+25m聯預應力混凝土現澆箱梁為分析對象。

2模型建立

橋梁結構的延性抗震設計時，一般選取墩柱為抗震單元，通過墩柱的非線性變形消耗地震能量，而其他部件屬于能力保護構件，按照規則橋梁的定義（單跨最大跨徑≤90m，墩高≤30m，單跨長細比大于2.5且小于10，跨數≤6，跨間最大跨長比≤1.5，軸壓比<0.3，跨間橋墩最大剛度比在4跨時不超過4，下部結構為雙柱框架墩、地基條件較好），該橋屬于規則橋梁，規則橋梁地震反應受一階振型主導，因此對于規則橋梁的地震反應分析可以采用單自由度體系的簡化分析方法。具體建模時四跨主梁質量堆聚在主梁質心處。上部結構一期恒載和二期恒載每延米質量估算為27t/m，箱梁高2米。一聯橋梁中固定支座約束的橋墩承擔了全部上部結構質量傳來的地震力，故模型建立時僅考慮固定支座下橋墩，橋墩采用彈塑性彈性梁柱單元，橋墩和上部結構質量堆聚點采用剛性連接。墩底約束條件為固結。圓形橋墩直徑1.5m，as取為45mm，縱向鋼筋布置為20032，縱筋HRB400，箍筋HPB300，混凝土C30。計算模型如圖1所示，其中墩柱截面鋼筋和混凝土纖維劃分如圖2所示。

3抗震分析

3.1地震動輸入

禾豐樞紐屬于高速公路上大橋，根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/TB02-01—2008，以下簡稱《細則》），E2地震作用結構重要性系數Ci=1.7（B類橋），場地系數Cs=1.0，阻尼系數Cd=1.0，E2地震（大震）非線性時程分析所用地震加速度時程曲線的最大值PGA2為：

根據《細則》，應選取三條地震波進行E2地震作用時程分析。此連續梁橋址區對應的場區基本地震烈度為6度，場地土條件為Ⅱ類。選取三條著名的地震波，分別為EL_CENTRO波，TAFT波和TANGS波，其主要信息如下表1，各地震波的時、頻曲線如下圖3。計算時取三條波的最大值。

3.2橋墩變形驗算

E2地震（大震）作用下，按《細則》中7.4.2條驗算橋墩潛在塑性鉸區域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力：

式中：——在E2地震作用下，潛在塑性鉸區域的塑性轉角;

——塑性鉸區域的最大容許轉角，按《細則》中第7.4.3條計算。

根據7.4.3條，塑性鉸區域的最大容許轉角應根據極限破壞狀態的曲率能力，按下式計算：

式中：——截面的等效屈服曲率，圓形截面橋墩按《細則》中附錄B計算;

——極限破壞狀態的曲率，圓形截面橋墩按《細則》中附錄B計算;

K——延性安全系數，取2.0;

——等效塑性鉸長度（cm），可取以下兩式計算結果的較小值;

H——懸臂墩的高度或塑性鉸截面到反彎點的距離（cm）;

b——矩形截面短邊尺寸或圓形截面直徑（cm）;

——縱向鋼筋抗拉強度標準值（MPa）;

——縱向鋼筋的直徑（cm）;

計算可得。

3.2.1計算

圓形截面的屈服曲率可按下式計算：

式中：——相應于鋼筋屈服時的應變;

D——圓形截面的直徑（m）;

計算可得，×1.5=2.213×0.002，=0.00295。

3.2.2計算

圓形截面極限曲率（1/m）可分別根據以下兩式計算，取小值。

式中：P——截面所受到的軸力（kN），按下表2計算;

——混凝土抗壓強度標準值（kN/m2），C30混凝土為20.1MPa;

——混凝土截面面積（m2），為1.60541 m2;

——鋼筋極限拉應變，取為0.09;

——約束混凝土的極限壓應變，按下式計算

——約束鋼筋的體積含筋率;

——箍筋抗拉強度標準值（kN/m2），HPB300鋼筋為300MPa;

——約束鋼筋的折減極限應變，取0.09;

——約束混凝土的峰值應力（kN/m2），取1.25倍混凝土抗壓強度標準值。

經計算，得到。

4結論

本文采用單自由度體系的簡化分析方法，簡化預應力混凝土現澆箱梁與橋墩之間的連接關系，研究了橋墩在E2地震作用下的損傷情況，研究結果表明：

（1）在本文指定的預應力混凝土現澆箱梁和E2地震條件下，橋墩不會破壞。

（2）橋墩墩底截面縱向鋼筋均處于受壓狀態，墩底截面保持在彈性狀態，墩底截面塑形轉角近似為0，橋墩變形滿足要求。