连续小箱梁桥地震响应分析

张国春

（太原市市政工程设计研究院，山西 太原 030002）

1 项目概况

随着太原城市经济的快速发展，对城市道路的改扩建也逐步加快，高架桥梁因快速通行，缓解交通拥堵起着非常重要的作用，本工程南沙河抢险路（青年路至双塔西街）高架桥，分为南北两条并行高架桥。南、北两桥沿南沙河河道两侧的抢险路自青年路以西至双塔西街以南，上跨青年路、双塔西街。北桥设计起点桩号K2+587，设计终点桩号K3+043，桥梁总长456 m，跨径为26～33.4 m，共14跨，桥面宽度8.5 m。南桥设计起点桩号K2+594，设计终点桩号K2+987，桥梁总长393 m，跨度为26～33.4 m，共12跨，桥面宽度8.5 m。

2 计算模型

拟建场地的抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第一组，场地特征周期为0.45 s。场地土类型（20 m内）为中软土，工程场地类别为Ⅲ类。该桥的抗震设防分类为乙类。上部模型选取其中一联进行抗震分析计算，采用3×26 m预应力混凝土连续小箱梁，单箱单室，梁高2.0 m，混凝土采用C50；下部结构采用矩形墩、桩基础，桥墩混凝土标号采用C35，桩基采用C30。

支座采用普通板式橡胶支座，支座设置：边墩采用D600X153型四氟滑板橡胶支座，中墩采用D800X194圆型板式橡胶支座。根据《城市桥梁抗震设计规范》第6.2.5条规定[1]，板式橡胶支座可采用线性弹簧单元模拟，板式橡胶支座纵桥向及横桥向的剪切刚度计算公式：k=Gd×Ar/∑t，Gd为板式橡胶支座的动剪切模量，kN/m2，一般取 1 200 kN/m2；Ar为板式橡胶支座剪切面积，m2；∑t为橡胶层的总厚度，m。板式橡胶支座竖向刚度视为无限大。

根据《城市桥梁抗震设计规范》6.2.7条及其条文说明[1]，考虑桩土的共同作用有两种方法：

a）建立桩基单元，沿桩长设置等代土弹簧约束。

b）承台底设6自由度的弹簧刚度模拟桩土作用。

两种模拟方法均基于m法理论，方法1直接以地基土比例系数m值作为桩侧的水平约束刚度系数，桩侧的水平约束刚度与入土深度成正比；方法2按《公路桥涵地基与基础设计规范》中附录P[2]计算，查表计算群桩承台位移刚度作为承台底面弹簧约束刚度。本例采用方法1模拟，桩底固结。坐标系取顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。

采用有限元分析软件Midas2012建立全桥空间有限元模型，主梁、桥墩、承台、桩基均采用三维梁单元，考虑上部主梁自重及二期恒载（包括桥面铺装、防撞护栏、灯杆），下部桥墩、承台及桩的重量，程序自动考虑。混凝土容重取26 kN/m3,计算时将荷载转化为质量，桥梁地震动力分析有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型示意图

3 自振特性分析

根据建立的动力计算模型，采用多重Ritz向量法求解桥梁结构动力特性。在计算中结构自振模态取90阶，根据《城市桥梁抗震设计规范》第6.3.2条规定[1]，采用多振型反应谱法计算时，顺桥向、横桥向、竖向的振型参与质量皆达到90%以上的有效质量。成桥阶段前5阶自振频率及振型特性如表1所示。

表1 结构动力特性

4 E1地震响应验算

截面配筋如表2、表3所示。

表2 桥墩配筋

表3 桩基配筋

E1地震作用下水平设计加速度反应谱依据《城市桥梁抗震设计规范》第5.2条[1]确定。地震调整系数0.61，特征周期0.65 s，斜率调整系数0.02，阻尼系数0.05，阻尼调整系数1.0，曲线衰减系数0.9，地震动峰值加速度0.122g，反应谱峰值Smax=0.27g。

抗震重要性系数0.5，场地系数1.2，特征周期0.65 s，阻尼系数0.05，阻尼调整系数1.0，地震动峰值加速度0.2g，反应谱峰值Smax=0.27g。

E1地震作用下，墩柱应处于弹性范围，根据《城市桥梁抗震设计规范》第7.2.1条规定[1]，顺桥向和横桥向E1地震作用效应和永久作用效应组合后，应验算桥墩的强度，如表4所示。

表4 桥墩墩底弯矩验算（E1地震作用下）

计算结果表明：在E1地震作用下，桥墩处于弹性范围，满足规范要求。

5 E2地震响应验算

依据《城市桥梁抗震设计规范》第7.3.1条规定[1]，对于高宽比小于2.5的矮墩，可不验算桥墩的变形，但应按本规范第7.3.2条验算桥墩的抗弯及抗剪强度。

本例采用E2反应谱进行验算，E2地震作用下水平设计加速度反应谱地震调整系数2.0，特征周期0.65 s，斜率调整系数0.02，阻尼系数0.05，阻尼调整系数1.0，曲线衰减系数0.9，地震动峰值加速度0.4g，反应谱峰值 Smax=0.9g。

E2地震作用下，根据《城市桥梁抗震设计规范》第7.3.2条规定[1]，顺桥向和横桥向E2地震作用效应和永久作用效应组合后，计算结果如表5所示。

表5 桥墩墩底弯矩验算（E2地震作用下）

计算结果表明：在E2地震作用下，桥墩仍处于弹性范围，满足规范要求，不需要进行弹塑性分析。

根据《城市桥梁抗震设计规范》第7.4条[1]，各桥墩底纵、横桥向斜截面剪力设计值及抗剪强度验算如表6。

表6 桥墩抗剪强度验算表

结果表明：E2地震作用下，桥墩塑性铰区域顺桥向及横桥向斜截面抗剪满足规范要求。

6 桩基验算

根据《城市桥梁抗震设计规范》第7.4.3条[1]验算，验算结果如表7所示。

表7 桩顶弯矩验算

计算结果表明：在E2地震作用下，桩基处于弹性范围，满足规范要求。

7 结语

太原地区地震烈度高，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，在此条件下对高架桥梁、地下通道、人行天桥等结构物进行抗震分析时，必须满足抗震设防目标要求，因此对设计人员提出更高的要求，在满足正常使用前提下，还要对在设计使用年限内，满足抗震要求，对设计人员来说是一个挑战。

市政工程工期不宜过长，因对城市交通及周围环境影响很大，本文通过对现浇连续小箱梁桥梁的抗震分析，在E1、E2反应谱计算下，满足规范要求，不需要进行非线性时程分析，所以在设计时避免了非线性时程分析时选取地震波，定义非线性材料的复杂设计，既可以缩短工期、恢复城市交通、促进城市快速发展，又安全可靠，为太原地区的桥梁抗震设计提供了一个可靠的参考，具有借鉴意义。