王 竹 吳靜秋 向 陽(yáng)

（中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司 北京 100097）

抗震概念設(shè)計(jì)（seismic concept design）是指根據(jù)工程抗震基本理論及長(zhǎng)期工程抗震經(jīng)驗(yàn)總結(jié)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，正確地解決總體方案、結(jié)構(gòu)布置、材料使用和細(xì)部構(gòu)造等，以便達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的?？拐鹩?jì)算設(shè)計(jì)（seismic numerical design）是指依據(jù)一定的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型，按地震作用計(jì)算、內(nèi)力分析及組合、強(qiáng)度計(jì)算、構(gòu)造措施等的抗震數(shù)值分析［1－2］?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)是對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能方向性的把握，起主導(dǎo)作用；抗震計(jì)算設(shè)計(jì)以抗震概念設(shè)計(jì)為前提，是對(duì)抗震概念設(shè)計(jì)的補(bǔ)充完善和精確化［3－6］，以從根本上消除結(jié)構(gòu)中的抗震薄弱環(huán)節(jié)，再輔以必要的計(jì)算和構(gòu)造措施，使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。

1 抗震概念設(shè)計(jì)

賽果高墩展線橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，墩高最大達(dá)66.73 m，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度：0.18 g。基于本橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在抗震設(shè)計(jì)中，提出以下抗震概念設(shè)計(jì)：

（1）基礎(chǔ)形式設(shè)計(jì)。采用整體性較好的樁基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)嵌入基巖。

（2）高墩設(shè)計(jì)。因墩高達(dá)66.73 m，長(zhǎng)細(xì)比較大，為提高墩身的剛度，減少墩頂?shù)奈灰疲丈硌馗叨确较虿捎米兘孛嫦湫投?，下大上小?/p>

（3）墩身水平力的分配。因地震烈度較大，上構(gòu)對(duì)墩身的水平力較大，因此，對(duì)于墩高較高的連續(xù)墩，均設(shè)置縱向固定支座，以便上構(gòu)對(duì)墩身的水平力由3個(gè)墩身同時(shí)承擔(dān)。

（4）支座設(shè)計(jì)。因結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較劇烈，為改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，支座采用減隔震支座。

2 結(jié)構(gòu)抗震分析

選取具有代表性的一聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，K577＋484左幅特大橋40～44號(hào)墩及耦聯(lián)的K577＋492右幅特大橋39～43號(hào)墩。

建模時(shí)為了計(jì)算精確，把計(jì)算聯(lián)的左右相鄰聯(lián)也一起建出。計(jì)算聯(lián)和相鄰聯(lián)通過(guò)伸縮縫分開(kāi)，并在伸縮縫處添加了可考慮橋梁碰撞影響的Combin單元，見(jiàn)圖1。

圖1 Combin單元設(shè)置示意圖

2.1 抗震計(jì)算模型

分析計(jì)算采用的是大型通用有限元分析程序ANSYS，主梁和橋墩均采用ANSYS空間梁?jiǎn)卧狟eam188，該單元為鐵木辛柯梁?jiǎn)卧?，具有一次插值形函?shù)，通過(guò)細(xì)化的網(wǎng)格劃分，可以有效地模擬各類(lèi)梁柱構(gòu)件的性能。

按照實(shí)際尺寸建立左幅特大橋36～47號(hào)橋墩（3聯(lián)）樁基模型，考慮樁土共同工作，通過(guò)計(jì)算得到不同深度的側(cè)向剛度，等效為土彈簧進(jìn)行模擬。與之耦聯(lián)的右幅特大橋35～46號(hào)墩（3聯(lián)）樁基模型通過(guò)計(jì)算嵌固深度考慮，在保證精度的前提下減少模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目，提高運(yùn)算效率。左幅特大橋40～44號(hào)橋墩（3聯(lián)）結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)

圖2 左幅特大橋40～44號(hào)橋墩（3聯(lián)）結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.1.1 支座的模擬

因結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)較劇烈，為改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，支座采用減隔震支座。通過(guò)支座的力學(xué)試驗(yàn)可知，支座在動(dòng)力荷載作用下力和位移的曲線見(jiàn)圖3。

圖3 力和位移的曲線

從圖3可見(jiàn)，支座具有非線性性能。其中：QY為屈服剪力；K1為屈前剛度；K2為屈后剛度。采用雙線性模型表達(dá)隔震支座的本構(gòu)關(guān)系，雙線性模型圖見(jiàn)圖4。

圖4 雙線性模型圖

在橋梁的正常運(yùn)營(yíng)情況下，第一剛度K1足以抵抗風(fēng)等水平荷載，支座處于彈性工作階段，保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。在地震作用下，由于支座水平變形較大，超出屈服點(diǎn)后，進(jìn)入第二剛度K2。雙線性模型K1，K2圍成了滯回面，起到了耗能的作用，降低地震對(duì)上部結(jié)構(gòu)的作用。同時(shí)，由于采用橡膠隔震支座，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)的周期。從地震反應(yīng)譜分析，延長(zhǎng)了結(jié)構(gòu)周期，反應(yīng)譜值減小，起到隔震作用。

隔震支座和橋梁支座的雙線性滯回性能采用COMBIN40單元模擬，其單元形式見(jiàn)圖5。

圖5 COMBIN40單元示意

2.1.2 地震參數(shù)的輸入

根據(jù)《安評(píng)報(bào)告》，抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取為兩級(jí)地震水準(zhǔn)：50年超越概率10%的地震和50年超越概率2%的地震，作為結(jié)構(gòu)抗震性能研究的設(shè)防水準(zhǔn)。與這兩級(jí)設(shè)防地震相應(yīng)的抗震性能目標(biāo)為：在50年超越概率10%的地震作用下結(jié)構(gòu)主體構(gòu)件沒(méi)有損壞；在50年超越概率2%的地震作用下結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重破壞和倒塌。地震動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

時(shí)程分析時(shí)，加速度峰值PGA＝Khg。式中：g為重力加速度。

考慮到隔震支座等連接構(gòu)件的非線性特征，為保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠，這里采用50年10%地震超越概率進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非線性時(shí)程分析，檢算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。

地震動(dòng)輸入選取El－centro波和Taft波2組地震波，3分量同時(shí)輸入。將2組分析結(jié)果的平均值作為構(gòu)件強(qiáng)度檢算的依據(jù)。

地震動(dòng)輸入方向的確定，其中水平向2個(gè)分量分別與20，24號(hào)墩連線方向平行（正交），與40，44號(hào)墩連線方向平行（正交）。

2.2 抗震分析結(jié)果

對(duì)結(jié)構(gòu)在地震作用下的控制截面的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行驗(yàn)算。

2.2.1 地震作用下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，將地震力與恒載的組合值對(duì)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度檢算，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表2 40～44號(hào)墩底截面強(qiáng)度檢算

表3 40～44號(hào)橋墩樁基截面強(qiáng)度檢算

通過(guò)以上檢算結(jié)果可知，40～44號(hào)橋墩與樁基控制截面的組合內(nèi)力均小于相應(yīng)截面的抗彎能力，結(jié)構(gòu)在3向地震作用下均處于彈性工作狀態(tài)，不發(fā)生破壞。

2.2.2 地震作用下結(jié)構(gòu)位移驗(yàn)算

各支座、梁端位移分析結(jié)果見(jiàn)表4、表5。

表4 左幅40～44號(hào)墩支座位移 cm

表5 左幅40～44號(hào)墩結(jié)構(gòu)梁端位移 cm

對(duì)左幅40～44號(hào)墩支座位移和伸縮縫位移進(jìn)行檢算，見(jiàn)表6、表7。

表6 左幅40～44號(hào)墩支座位移檢算 cm

表7 左幅40～44號(hào)墩結(jié)構(gòu)伸縮縫位移檢算cm

由于梁體和墩頂?shù)奈灰品较蛞恢拢咧g的相對(duì)位移量并不大，與隔震支座的極限水平位移比較，可知支座沒(méi)有破壞；同時(shí)根據(jù)比較梁墩相對(duì)位移與構(gòu)造尺寸，可知不會(huì)發(fā)生落梁破壞；44號(hào)墩頂伸縮縫損傷，其余伸縮縫工作正常。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）50年10%地震超越概率水平（偶遇地震）下，橋墩與樁基控制截面的組合內(nèi)力均小于相應(yīng)截面的抗彎能力，結(jié)構(gòu)在3向地震作用下均處于彈性工作狀態(tài)，未發(fā)生破壞。

（2）50年2%地震超越概率水平（罕遇地震）下，比較隔震支座的極限水平位移，可知支座沒(méi)有破壞；同時(shí)比較梁墩相對(duì)位移與構(gòu)造尺寸可知，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生落梁破壞；除24，44號(hào)墩處伸縮縫可能發(fā)生損傷之外，其余伸縮縫工作正常。

［1］ 范立礎(chǔ)，王志強(qiáng).橋梁減隔震設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 陳 虎.橋梁抗震概念設(shè)計(jì)［J］.國(guó)外建材科技，2004（2）：122－123

［3］ 宋曉東，李建中.山區(qū)橋梁的抗震概念設(shè)計(jì)［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2004（1）：92－96.

［4］ 蔡 龍，杜宏彪.結(jié)構(gòu)抗震中的概念設(shè)計(jì)［J］.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究應(yīng)用，2007（4）：93－94.

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