某高速公路变高连续梁桥抗震性能分析

沈 敏 吴徐华

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008，以下简称《抗震设计细则》），高速公路上的桥梁结构抗震设防类别绝大部分属于规则中的B类桥梁，因此，反应谱法是公路桥梁结构抗震设计中最为常用的方法。本文以某高速公路50m+90m+50m变高连续梁桥为研究对象，基于RM Bridge有限元分析软件建立动力分析模型分析结构的动力特性，同时，采用反应谱方法研究桥墩及桩基在E1、E2地震作用下的反应，以期为同类桥梁的抗震设计提供参考。

1 工程概况

某高速公路大桥全长756.4m，其中主桥跨越地方水系，其上部结构采用50m+90m+50m变截面预应力混凝土连续箱梁，左右分幅，单幅桥宽16.25m，主墩墩身采用矩形实体墩，截面尺寸为8.75m×3.0m（横桥向×顺桥向），墩柱高度约为5.4m，基础采用承台下接群桩基础，承台平面尺寸为13.2m×8.2m（横桥向×顺桥向），厚3.5m，群桩基础由6根D200钻孔灌注桩组成；过渡墩为盖梁下接圆柱式墩，墩柱直径为D220，基础为哑铃型承台下接群桩基础，承台厚2.5m，群桩基础由4根D160钻孔灌注桩组成。

主桥4#墩采用GPZ 27.5GD及GPZ 27.5SX盆式橡胶支座；5#墩采用GPZ27.5SX及GPZ 27.5DX盆式橡胶支座；3#、6#过渡墩采用GPZ 4.0DX及GPZ 4.0SX盆式橡胶支座。

2 性能目标与验算原则

根据《桥址区工程场地地震安全性评价报告》中：对应中震，桥址区50年超越概率10%时，地震动峰值加速度为69.8gal（约0.07g）；对应大震，桥址区50年超越概率2.5%时，地震动峰值加速度为102.6gal（约0.10g）。根据《抗震设计细则》，本桥抗震设防类别为B类，抗震设防烈度介于6～7度之间，安全起见，本桥采用E1地震作用、E2地震作用两水平设防、两阶段设计。本桥具体抗震设防目标为：（1）E1地震作用下，主梁、桥墩、桩基础完好无损，桥墩、桩基础处于弹性工作状态，结构承载能力验算满足要求；（2）E2地震作用下，桥墩等结构构件不需修复或简单修复后可继续使用，桥墩抗弯承载力满足要求，桥墩抗剪和桩基按能力保护构件控制。反应谱分析法采用的相应E1地震作用和E2地震作用下的水平地震加速度反应谱如图1、图2所示。

图1 E1地震作用设计反应谱

图2 E2地震作用设计反应谱

3 分析模型及分析方法

为准确分析结构的抗震性能，本文基于RM Bridge软件建立三维空间有限元动力分析模型。支座边界条件依据实际情况采用连接单元模拟，桩基与桩侧土的相互作用采用土弹簧模拟，土弹簧刚度按m计算。有限元计算模型总体坐标系以顺桥向为X，横桥向为Z，竖向为Y。主梁、桥墩采用梁单元模拟，二期恒载作为附加质量，所有质量均采用集中质量矩阵模拟。全桥动力分析模型如图3所示。

图3 全桥动力分析模型

采用子空间迭代法，可计算得到该桥的无阻尼自由振动特性。提取前5阶自振频率如表1所示，一阶振动模态如图4所示。

表1 前5阶自震频率及震型特征表

图4 第一阶振型图

根据《抗震设计细则》，本桥按多振型反应谱法分别进行E1、E2地震作用下结构的抗震性能验算。振型组合时采用CQC法，取前150阶振型计算，3个方向的振型参与质量均达到99%。

4 E1地震作用分析结果

对动力分析模型分别进行E1顺桥向、横桥向地震作用分析，求出各控制截面的内力并进行抗弯承载力验算，正截面验算取过渡墩墩顶和墩底截面、主墩墩底截面、桩基弯矩最大截面作为验算控制截面。正截面抗力采用弯矩曲率分析得到，对E1和E2地震材料强度分别采用设计值和标准值。验算结果表明顺、横桥向E1地震作用下3～6#墩墩柱、桩基相关验算截面均处于弹性工作状态，结构承载能力验算满足要求。

5 E2地震作用分析结果

对动力分析模型分别进行E2顺桥向、横桥向地震作用分析，求出各控制截面的内力并进行正截面抗弯承载力、抗剪承载力、支座水平位移及水平力验算。截面抗剪承载能力验算按《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）执行。相应验算结果表明顺、横桥向E1地震作用下3～6#墩墩柱、桩基相关验算截面抗弯、抗剪承载力以及支座位移以及水平承载力均满足要求。

6 结语

本文基于RM Bridge软件建立了一座50m+90m+50m变高连续梁的动力计算模型，分析了结构的动力特性，并采用反应谱方法研究了结构在E1、E2地震作用下的响应，最终得出如下结论：

（1）E1地震作用：在纵桥向、横桥向地震输入作用组合下，过渡墩、主墩及桩基础截面地震弯矩小于初始屈服弯矩，截面保持为完全弹性状态。

（2）E2地震作用：在纵桥向、横桥向地震输入作用组合下，过渡墩、主墩及桩基础截面地震弯矩小于等效屈服弯矩，截面保持为保持弹性状态。过渡墩、主墩及桩基础的抗剪强度满足要求。主桥盆式支座在滑动方向的地震位移小于容许位移，满足要求。计入挡块作用后，在固定方向的设计水平力小于容许水平力，满足要求。