多箱組合連續(xù)梁橋抗震分析及優(yōu)化

劉志華

（山西省交通科學(xué)研究院 橋梁工程防災(zāi)減災(zāi)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

0 引言

地震作為威脅人類的一大自然災(zāi)害，高強(qiáng)度的地震往往釋放出巨大的地震能量，造成地表和人為工程的大量破壞，如建筑物倒塌、橋梁斷落、水壩開(kāi)裂、鐵軌變形等等，嚴(yán)重危及人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。而且，地震的直接災(zāi)害發(fā)生后，還會(huì)引發(fā)眾多的次生災(zāi)害。有時(shí)，次生災(zāi)害所造成的傷亡和損失，比直接災(zāi)害還大。倘若橋梁工程遭到嚴(yán)重破壞，發(fā)生斷裂和垮塌，就會(huì)切斷震區(qū)的交通生命線，造成救災(zāi)工作困難，加重次生災(zāi)害。因此，橋梁的抗震防災(zāi)工作顯得極為重要[1-2]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多科研人員對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，提出了地震作用分功能設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)兩個(gè)等級(jí)設(shè)計(jì)的思想，并采用減振、隔震等有效的措施實(shí)現(xiàn)了二者的統(tǒng)一。如同濟(jì)大學(xué)的李建中等[1]針對(duì)多跨連續(xù)梁橋，對(duì)其減隔震體系進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。宗周紅等[3]對(duì)高墩橋梁以及減隔震措施等進(jìn)行了抗震研究，并對(duì)部分相關(guān)影響參數(shù)進(jìn)行了研究。本文以臨汾環(huán)城一級(jí)公路汾河大橋引橋——多箱組合連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)其地震效應(yīng)進(jìn)行分析研究，并在抗震性能分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)該橋抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了橋梁的抗震性能[4-5]。

1 結(jié)構(gòu)分析模型及地震動(dòng)輸入

1.1 結(jié)構(gòu)分析模型

本文對(duì)臨汾市環(huán)城一級(jí)公路汾河大橋引橋的最不利跨按B類抗震設(shè)防目標(biāo)進(jìn)行抗震分析。為四跨連續(xù)的（4×35 m）多箱組合連續(xù)梁橋。該橋由于單幅橋?qū)掃_(dá)17 m，因此設(shè)計(jì)中每幅橋面采用6片跨徑35 m小箱梁組合而成，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土三柱式橋墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。墩高均在為13～14 m之間；除兩個(gè)邊墩的橋墩直徑分別采用1.6 m、2.6 m，其余墩直徑均為1.4 m。支座則采用公路橋梁盆式橡膠支座GPZ（Ⅱ）系列產(chǎn)品。圖1、圖2所示分別為該橋的橋型布置圖和支座布置圖。本橋橋址區(qū)自然地面以下5 m深度內(nèi)①層細(xì)砂有液化可能，根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，橋址所在地區(qū)地震動(dòng)加速度峰值為0.20g，地震基本烈度（即抗震設(shè)防烈度）為Ⅷ度。

圖1 第四聯(lián)橋型布置圖

采用SAP2000非線性有限元分析軟件建立汾河大橋先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁部分的空間桿系模型（如圖3所示），三維梁?jiǎn)卧M主梁和橋墩；連接單元模擬支座；對(duì)于樁基礎(chǔ)，采用考慮樁-土相互作用的集中彈簧模型來(lái)模擬對(duì)本橋進(jìn)行地震效應(yīng)分析。

圖2 支座布置圖

圖3 結(jié)構(gòu)分析模型

1.2 地震動(dòng)輸入

汾河大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告給出的場(chǎng)地類別為Ⅲ類場(chǎng)地，工程場(chǎng)地50年超越概率63%（重現(xiàn)期50年）、10%（重現(xiàn)期475年）、2.5%（重現(xiàn)期約2 000年）的水平地震影響系數(shù)和水平向設(shè)計(jì)反應(yīng)譜模型常數(shù)（阻尼比0.05），詳見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜模型常數(shù)（阻尼比0.05）

地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜以地震影響系數(shù)α(T)形式表述（地震影響系數(shù)為用g歸一的加速度反應(yīng)譜）。標(biāo)準(zhǔn)形式的場(chǎng)地相關(guān)地震影響系數(shù)α(T)其表達(dá)式為：

式中：Amax為水平峰值加速度；αmax為α（T）的最大值，T1和Tg（特征周期）為α（T）的折點(diǎn)周期；γ為衰減因子。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》JTG/T B02-01—2008，本橋在E1地震作用下地震水平抗震重要性系數(shù)Ci=0.5（對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)重現(xiàn)期約為50～100年）；在E2地震作用下抗震重要性系數(shù)Ci=1.7（對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)重現(xiàn)期約為475～2 000年），得到分析輸入E1、E2地震作用時(shí)的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜（如圖4、圖5所示）。

圖4 E1地震作用時(shí)的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

圖5 E2地震作用時(shí)的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜

在地震效應(yīng)分析中，作用效應(yīng)組合應(yīng)包括1.0×永久作用效應(yīng)+地震作用效應(yīng)，組合方式包括各種效應(yīng)的最不利組合。其中“永久作用”包括結(jié)構(gòu)重力（恒載）、預(yù)應(yīng)力、土壓力、水壓力?！暗卣鹱饔谩卑ǖ卣饎?dòng)的作用和地震土壓力、水壓力等。在地震效應(yīng)分析中，均考慮了豎向地震分量和水平向地震分量的組合，組合的原則為：，EX、EY、EZ分別表示水平向和豎向地震作用產(chǎn)生的最大效應(yīng)。其中豎向分量取值為0.333倍的水平分量，以下各結(jié)果數(shù)據(jù)中所涉及的“橫豎”、“縱豎”均是按照這一原則組合的地震動(dòng)輸入[6]。

2 地震效應(yīng)分析

本文采用反應(yīng)譜法對(duì)橋梁進(jìn)行了地震效應(yīng)分析，分析結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 E1地震作用下橋墩內(nèi)力

表3 E1地震作用下樁內(nèi)力

表2和表3分別為橋墩和樁基礎(chǔ)在E1地震下的內(nèi)力，由表2和表3可以看出，除10號(hào)墩橋墩外，其他橋墩和樁基按照正常的配筋率完全滿足抗震要求。但是，由圖2可知，由于縱橋向僅在10號(hào)橋墩處對(duì)主梁有約束作用，所以在縱向地震作用下，10號(hào)橋墩和相應(yīng)的樁地震效應(yīng)明顯大于其余橋墩，因此其配筋率明顯高于其余橋墩，抗震設(shè)計(jì)不夠合理。

表5 E2作用下支座位移

08抗震設(shè)計(jì)細(xì)則中規(guī)定，橋墩在E2地震作用下橋墩允許進(jìn)入彈塑性，但支座必須滿足承載力和變形能力要求，防止發(fā)生落梁災(zāi)害發(fā)生。表4和表5為支座在E2作用下的地震效應(yīng)，可以看到，在E2地震作用下，由于盆式支座定向性造成其都不能滿足承載能力和變形的要求，在高強(qiáng)度地震的作用下支座將會(huì)破壞，甚至引發(fā)落梁災(zāi)害。需要對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，改善其抗震性能，使其能夠抵御設(shè)計(jì)地震[7]。

3 抗震設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

本文在原橋梁抗震設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了抗震方案優(yōu)化設(shè)計(jì)。具體方案為：將盆式支座更換為延性好、剛度小、抗震性能較好的天然橡膠支座。8和12號(hào)墩采用面積為350 mm×350 mm的矩形天然橡膠支座；9～11號(hào)墩采用面積為520 mm×520 mm的矩形天然橡膠支座。對(duì)優(yōu)化后的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震效應(yīng)分析，并就兩種抗震設(shè)計(jì)方案的計(jì)算分析結(jié)論進(jìn)行對(duì)比。

表6 E1地震作用下橋墩內(nèi)力（優(yōu)化設(shè)計(jì)后）

表7 E1地震作用下樁內(nèi)力（優(yōu)化設(shè)計(jì)后）

表6和表7分別為優(yōu)化設(shè)計(jì)后橋梁E1地震作用下的地震效應(yīng)，與表2和表3相比，抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化后，橋梁整體橫向剛度降低，橫向周期延長(zhǎng)，各墩和樁的橫向地震效應(yīng)有不同幅度的降低。從中還可以看出，采用減隔震天然橡膠支座以后，所有的橋墩均承受縱向水平地震效應(yīng)，10號(hào)橋墩的地震效應(yīng)大幅降低，墩底彎矩和剪力都減小到原方案的48%，由所有的橋墩共同承受縱向地震效應(yīng)，改變了原抗震設(shè)計(jì)縱橋向只有10號(hào)墩承受地震效應(yīng)的不利狀況，橋梁結(jié)構(gòu)整體受力更為合理，10號(hào)墩柱不必再進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，可完全采用與其他墩柱相同的配筋率進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)滿足抗震性能的要求。

表8 E2地震作用下天然橡膠支座地震效應(yīng)

表8為支座在E2地震作用下的地震效應(yīng)，對(duì)比表4和表5可以看出，通過(guò)橋梁結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)各個(gè)支座的變形和受力更為均衡，支座地震效應(yīng)明顯減小，所有支座均滿足變形能力的要求，降低了地震中支座破壞、落梁的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以臨汾環(huán)城一級(jí)公路汾河大橋多箱組合連續(xù)梁橋?yàn)楸尘埃瑢?duì)地震效應(yīng)進(jìn)行了分析，進(jìn)行了抗震性能對(duì)比研究，結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出了抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并得出如下結(jié)論：

a）通過(guò)地震效應(yīng)的分析，原設(shè)計(jì)采用普通盆式橡膠支座，縱向只設(shè)置了一個(gè)制動(dòng)墩，造成該墩承受了大部分的縱向地震力，地震效應(yīng)大大高于其他橋墩，橋梁結(jié)構(gòu)受力明顯不合理，而且盆式橡膠支座無(wú)法滿足Ⅷ度地震作用時(shí)所要求的承載能力和變形能力的要求，在高強(qiáng)度地震中將發(fā)生支座破壞，甚至引發(fā)落梁震害。

b）針對(duì)原設(shè)計(jì)方案中支座類型及布置方式不合理，造成結(jié)構(gòu)受力不夠合理的缺陷，提出采用延性大、剛度小、抗震性能較好的天然橡膠支座作為橋梁減震措施的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，經(jīng)計(jì)算及對(duì)比分析，橋梁結(jié)構(gòu)的地震效應(yīng)被弱化，整體抗震性能明顯提高，完全滿足抗震性能要求。

c）所采用天然橡膠支座改善多箱組合連續(xù)橋梁的抗震性能，具有一般性，可以為混凝土連續(xù)梁橋抗震設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。