基于美國規范的機場高架橋抗震分析

謝 峰，王衛東，舒鵬宇，孫先鋒

（中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都610041）

0 引 言

在國家大力推進“一帶一路”的重大戰略的背景下，中國企業深入踐行“一帶一路”倡議，有效落實“海外優先”指導思想，充分彰顯中國企業品牌實力，海外業務新簽合同額、營業收入每年都大幅增加。其中，中國企業承建各個國家機場的業務也越來越多，隨之帶來更多的機場高架橋業務。機場高架橋由于其橋寬較寬，墩柱較少，橋梁抗震設計存在著一定的特殊性。在美國規范下，研究探討高架橋特點的抗震設計方法具有研究意義。

與中國橋梁抗震規范不同，美國規范中，對橋梁結構按單一水準設防和一階段設計。目標可以歸納為：設計地震下，橋梁不發生倒塌。本文以某東南亞機場高架橋為研究對象，利用有限元軟件建立三維模型，分析整體橋梁結構地震反應的影響，并對橋梁進行延性抗震設計驗算。

1 工程概況

某東南亞國家新建一大型機場，是其國內重要投資項目之一。其中機場高架橋是機場中必不可少的組成部分，其安全性和經濟性對機場平穩運營有著直接的影響。高架橋總長546.755 m，橋梁一共五聯，其中站前段第三聯跨度布置為9 m×18 m，總長為162 m。整跨同寬，寬度為32.8 m。在橋梁方案階段，為了造型美觀，采用雙柱墩，橋墩采用變截面圓柱墩，尺寸上大下小。墩柱橫向間距18 m，見圖1。在分聯墩與橋臺處設置伸縮縫和支座，其余橋墩與梁固結。

圖1 橋梁結構橫斷面（單位：mm）

2 抗震計算模型

在美國抗震設計中，一直對橋梁采用性能抗震設計理念，其中以位移控制為主，同時對關鍵截面進行強度復核[1]。

根據1 s周期對應的設計地震動加速度譜值SD1，將高架橋的抗震設計劃分為C類，短周期設計反應譜加速度參數SDS為0.266g，長周期設計反應譜加速度參數SD1為0.123g，場地分類為E類，響應修正因子R=5。

地震輸入按在75年內超越概率為7%的情況下，進行了線性多模態反應譜分析。各個模態的組合模式采用CQC方法[2]。結構阻尼比取為0.05。經過計算，得到的橋梁地震縱向效應Ex，橋梁地震橫向效應Ey，橋梁地震豎向效應Ez。地震效應采用兩種組合方式：（1）Ex+0.3Ey+0.3Ez；（2）0.3Ex+Ey+0.3Ez。

采用有限元軟件Midas civil進行三維模型模擬見圖2。橋墩與主梁固結，交接墩處設置滑動支座。

圖2 高架橋三維計算模型

3 高架橋抗震結構設計

3.1 橋梁墩柱M-φ曲率分析

在美國規范中，橋墩截面的抗彎能力采用截面積分的方法進行M-φ曲率分析，目標是在地震作用組合下，可發生輕微損傷，基本不影響車輛通行，具體是指地震組合彎矩（考慮軸向力的影響）小于截面的等效屈服彎矩。

根據靜力平衡原理和相容性假定[3]，由有限元軟件（如UCFyber）計算得到截面的M-φ曲線，從而根據式（1），可以得到截面的等效慣性矩Ieff。并且在三維建模時，采用等效慣性矩。

其中橋墩混凝土按需求劃分單元，鋼筋單獨作為一個單元，見圖3。其中根據截面尺寸以及配筋情況，對高架橋橋墩三個控制截面的抗彎強度和抗剪強度進行驗算。三個控制截面A、B、C位置見圖4。A截面直徑為1.9 m，B截面直徑為2.2 m，C截面直徑為1.5 m。

圖4 橋墩一般構造圖（單位：mm）

圖3橋墩截面網格劃分

3.2 橋墩墩頂位移驗算

美國規范中，橋墩的縱向或橫向位移應滿足：

ΔPu＜0.25φMn[4]

式中：Δ為墩的相對位移點相對于固定點的位移，m；Δe為彈性地震分析計算的位移，m；T為基本振型的周期，s；Pu為橋墩上的軸向荷載，kN；φ為柱的抗彎系數；Mn為墩的軸向荷載下計算的墩的屈服彎曲強度，kN·m。

根據計算公式，驗算見表1。

表1 橋墩墩頂位移驗算表

根據計算結果，在地震作用下，高架橋固結墩共同承擔地震力。各個縱向固定墩的位移能力滿足規范要求，延性能力滿足位移能力需求。

3.3 橋墩在地震作用下的強度驗算

剪切破壞作為脆性破壞，在結構設計中是必須避免的。為保證當橋墩中的塑性鉸達到最大抗彎承載力時，橋墩不發生剪切破壞，需進行抗剪承載力驗算見表2。由于結構對稱，給出其中一側4個橋墩的承載力驗算。從橋墩順橋向驗算結果表中可以看出在設計地震作用下：橋墩塑性鉸區抗剪強度滿足規范要求。

表2 縱向地震作用組合下抗剪承載力驗算

3.4 樁基驗算

美國規范中，對在地震作用下需要其保證完全彈性的構件稱為能力保護構件[5]。本橋將樁基作為能力保護構件，由墩底斷面的等效屈服彎矩計算得到的超強彎矩，對樁基抗彎能力進行能力保護驗算，樁基抗彎承載力采用與本文3.1中墩柱相同方法計算得到，并考慮了軸力影響，驗算結果見表3。

表3 縱向地震作用組合下樁基抗彎能力驗算

由驗算結果表可以看出，樁基均處于彈性范圍，滿足設計要求。

4 結 語

經過對高架橋在美國規范的抗震驗算，得出以下結論。

（1）在地震作用下，由于P1～P8號墩與主梁固結，共同承擔地震力，解決因為固結墩過少而導致固結墩受到地震力過大，可能出現的剪切脆性破壞的情況。

（2）在對橋墩三個控制截面的抗剪驗算過程中，墩底位置由于截面較小，抗剪承載力較小，是相對薄弱的地方。

（3）在現有的美國規范下，各橋墩的位移能力滿足抗震設防要求，且具有足夠的抗剪能力，抗震性能滿足抗震設防標準。

（4）樁基作為能力保護構件，在橋墩超強彎矩作用下，處于彈性范圍。