廣西柳州鳳凰嶺大橋抗震設計

龐 偉

（廣西柳州市城市投資建設發展有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引 言

隨著國民經濟的發展，人們對橋梁建筑的美學要求不斷提高，出現了更多形式新穎的橋梁建筑形式。其中，在普遍應用的大跨度連續梁橋上，興建具有地方特色的橋上建筑的結構形式不斷涌現，廣西柳州鳳凰嶺大橋便是地域特色與橋梁結構形式完美融合的典型代表。

本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋為建設工程為背景，采用數值模擬方法，進行含有橋上建筑的大跨連續梁橋的地震反應分析與驗算。驗算結果表明，該橋梁結構的抗震性能滿足規范要求。

1 工程概況與有限元模型

1.1 工程概況

柳州市鳳凰嶺大橋主橋采用跨徑布置為（96+124+3×130+90）m=700m等高連續組合梁方案（見圖1）。橋面全寬46.6m，等高雙箱單室鋼箱組合梁斷面，梁高6.5m（見圖2）。中墩采用箱型截面空心墩，截面尺寸為5.5m×39.5m，立柱為空心截面，壁厚0.8m。中墩承臺為圓端形，承臺平面尺寸為6.48m×40.5m，厚度3.0m，采用18根φ1.8m鉆孔灌注樁（見圖3、圖5、圖7）。邊墩采用矩形實心截面，截面尺寸為4.0m×38.5m，承臺為矩形整體式，平面尺寸為6.25m×39.5m，厚度3.0m,采用18根φ1.5m鉆孔灌注樁（見圖4、圖6、圖7）。主梁的鋼梁主體結構采用Q345qC鋼，其余各部件混凝土使用情況見表1。

表1 混凝土使用情況

圖1 主橋立面圖

圖2 主橋斷面圖（單位:mm）

圖3 主橋中墩樁基布置圖

圖4 主橋邊墩樁基布置圖

圖5 中墩配筋圖

圖6 邊墩配筋圖

圖7 樁基配筋圖

1.2 有限元模型

橋墩、鋼箱主梁、橋上建筑鋼結構桿件均采用梁單元模擬,承臺近似按剛體模擬，其質量堆聚在承臺質心,墩底與承臺中心及樁頂中心節點主從相連，二期恒載以均布線質量的形式加載至主梁單元上。主橋設計采用球型鋼支座，其中橋墩4#處設置固定支座，其余橋墩均布置滑動支座。采用六彈簧模型模擬各群樁基礎的影響，彈簧剛度根據土層狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定，由土層資料確定m值。根據上述模擬方法，以SAP2000軟件為建模工具，建立的全橋有限元模型見圖8。

圖8 全橋空間動力計算模型

2 地震動輸入

本橋地震基本烈度為6度，水平向地震動峰值加速度0.05g。建筑工程抗震設防類別為丙類，建筑場地類別Ⅱ類,多遇地震的場地特征周期為0.35s，設計安全等級一級,結構重要性系數1.1。根據規范[1-3]得到地震動加速度目標反應譜見圖9。根據給出的目標反應譜生成人工波，選擇與目標反應譜擬合較好的3條地震波進行計算，并取最大值作為最終結果。

圖9 加速度反應譜

3 E1地震作用下地震反應分析與抗震驗算

3.1 反應譜分析結果

對橋梁結構在E1地震作用下進行反應譜分析，得到結構重要部件關鍵截面內力見表2、表3。

表2 橋墩墩底截面內力

表3 主橋樁基礎地震響應

3.2 非線性時程分析結果

對橋梁結構在E1地震作用下進行非線性時程分析，得到結構重要部件關鍵截面內力見表4~表6。

表4 橋墩墩底截面內力

表6 橋上建筑鋼結構桿件最大應力驗算

表5 主橋樁基礎地震響應

根據《城市橋梁抗震設計規范》(GJJ166—2011)[1]與《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTGD64—2015）[4]的規定，對E1地震作用下反應譜及非線性時程分析結果展開驗算。限于篇幅，列出部分橋上建筑鋼構件在E1非線性時程分析中的驗算結果，反應譜的計算結果雖未給出，但滿足規范要求，驗算表中的界限值對應于正應力。可以看出，橋墩、樁基礎關鍵截面、橋上鋼構件抗彎承載力滿足規范要求。

4 E2地震作用下地震反應分析與抗震驗算

4.1 反應譜分析結果

對橋梁結構在E2地震作用下進行反應譜分析，得到結構重要部件關鍵截面內力見表7、表8。

表7 橋墩墩底截面內力

表8 主橋樁基礎地震響應

4.2 非線性時程分析結果

對橋梁結構在E2地震作用下進行非線性時程分析，得到結構重要部件關鍵截面內力見表9~表11。

表9 橋墩墩底截面內力

表10 主橋樁基礎地震響應

表11 橋上建筑鋼結構桿件最大應力驗算（非線性時程分析法）

對E2地震作用下反應譜及非線性時程分析計算結果展開驗算。限于篇幅，列出部分橋上建筑鋼構件在E2非線性時程分析中的驗算結果，反應譜的計算結果雖未列出，但滿足規范要求，驗算表中的界限值對應于正應力。可以看出，橋墩、樁基礎關鍵截面、橋上鋼構件抗彎承載力滿足規范要求。

5 橋梁結構地震反應分析方法

目前，可采用的地震反應分析方法包括靜力法、反應譜法和非線性時程分析法。其中，靜力法由于忽略了結構的動力特性，因而具有很大的局限性，所以本研究采用反應譜法和非線性動態時程分析法，對廣西柳州鳳凰嶺大橋開展抗震設計與驗算。反應譜法計算簡便，可以通過較少的計算量獲得結構的最大反應值，因而成為各國規范中的基本分析手段。但反應譜只是彈性范圍內的概念，沒有考慮結構的塑性發展，而且只能得到結構最大反應，不能反映結構在地震動過程中的經歷和地震持續時間的影響，因而本研究在反應譜分析法的基礎上同時采用了可考慮各種非線性因素的、較為精確的非線性時程分析法，對橋梁結構和橋上建筑的地震動響應進行研究。從兩種方法的計算結果來看，反應譜方法和非線性時程法的結果互相印證和校核，差距在合理范圍內，確保了鳳凰嶺大橋抗震分析的準確性和可靠程度。

6 結語

本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋工程為背景，采用兩水平抗震設計方法，對含有橋上建筑的大跨連續梁橋在E1、E2地震作用下采用反應譜法和非線性時程分析法，以SAP2000（v19.2）軟件作為建模工具，進行了地震反應分析與驗算，得到了如下結論，對該類橋梁的抗震設計提供了參考。

（1）在E1地震作用下，主橋樁基礎最不利單樁截面地震彎矩小于其初始屈服彎矩，保持彈性工作狀態，橋墩關鍵截面和上部鋼桁架桿件亦保持彈性工作狀態。

（2）在E2地震作用下，橋墩關鍵截面及樁基礎最不利單樁截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，滿足其各自性能目標，上部鋼桁架所有構件均能滿足強度要求，支座位移滿足要求。

（3）本研究采用了反應譜法和非線性時程分析法兩種地震動分析方法對廣西柳州鳳凰嶺大橋開展了地震動響應研究。兩種方法互相補充、印證，確保了計算分析結果的準確性和可靠程度。