楊竹林 王攀峰 楊建中

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

預制箱梁橋橋墩抗震設計分析

楊竹林 王攀峰 楊建中

（河北省水利水電第二勘測設計研究院 河北石家莊 050021）

結合三河市泃河預制箱梁橋的設計工作，采用MIDAS CIVIL有限元計算軟件建立橋梁整體空間動力模型，給出了預制箱梁橋前四階的自震周期和頻率、研究了橋墩墩頂位移過大、塑性鉸抗剪不過的處理辦法，和反應譜計算抗震時減隔震支座的模擬方法，為預制箱梁橋的橋墩抗震設計提供參考。

抗震設計 減隔震支座 預制箱梁

我國是地震多發(fā)的國家，強烈地震的發(fā)生不僅對國家造成很大的經濟損失，而且會造成大量人員的傷亡。橋梁是交通運輸的咽喉，在抗震救災中起著重要的作用，因此對橋梁進行抗震設計十分必要。

本文結合三河市候譚縣泃河大橋的設計工作，研究預制箱梁橋橋墩的抗震設計。

1 橋梁概況

圖1 橋型圖

圖2 橋梁斷面圖

泃河大橋位于河北省三河市境內，跨越南北走向、上口開口寬約100m的泃河，場地抗震設計烈度為8 度，水平向動峰值加速度0.2g。橋梁上部結構采用先簡支后連續(xù)的預制箱梁，跨徑組合為3×35m，雙幅橋，單幅寬度13m，每幅布置4片預制箱梁。下部結構采用雙柱式混凝土鉆孔灌注樁基礎，柱徑1.5m，樁徑1.6m橋墩樁長55m，橋臺樁長45m，橋型見圖1。橋梁設計荷載等級為公路—Ⅰ級，橋寬方向布置為：1.5m人行道+3m非機動車+2×3.75m機動車道+0.5m路緣帶+0.5m防撞護欄+1m分隔帶+0.5m防撞護欄+0.5m路緣帶+2×3.75m機動車道+3m非機動車+1.5m人行道，總寬27m，橋面橫坡2%，橋梁上部斷面見圖2。

2 橋墩抗震設計分析

2.1 計算模型

圖3 橋梁計算模型

合理正確的計算模型，是橋梁抗震設計分析的基礎。本橋設計采用MIDAS Civil 2010建立

了包括主梁、蓋梁、橋墩、系梁、樁基的整體空間有限元模型，模型共674個節(jié)點，680個單元。如圖3所示。

主梁建模采用梁格法，縱梁為C50混凝土，虛擬橫梁采用無自重、彈模同主梁一致的材料，模擬主梁間的橫向連接。蓋梁、墩柱、樁基均為C30混凝土，用彈性連接模擬支座剛度，采用土彈簧模擬樁基與地基土之間的相互作用，地基土動力狀態(tài)下水平向抗力的比例系數取2.5倍的靜力狀態(tài)下的值。

2.2 抗震設計計算

《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/TB02-01-2008）中根據各類橋梁在抗震救災以及在經濟、國防上的重要意義或破壞后修復（搶修）的難易程度，將橋梁的抗震設計類別分為A類、B類、C類和D類，分別對應不同的抗震設防目標 。橋梁在地震作用下，上部結構一般不易損壞，橋梁抗震設計主要是對下部結構（橋墩）的抗震設計。泃河大橋是位于一級公路上的大橋，對應的抗震設計類別為B類。B類橋梁抗震對于橋墩的要求是：E1狀態(tài)下橋墩處于彈性工作狀態(tài)，E2地震作用下橋墩進入塑性工作狀態(tài)，但橋墩塑性鉸的轉動能力或墩頂位移應滿足規(guī)范的要求。

泃河大橋橋位處場地特征周期為0.35s，場地抗震設防烈度為8度，水平向設計基本地震動加速度峰值為0.20g。場地土層等效剪切波速為165m/s，覆蓋層厚度大于50m，為中軟土，III類場地，場地系數Cs=1.2，橋梁結構阻尼比ξ=0.05，對應E1地震作用時抗震的重要性系數為Ci=0.50，水平向動峰值加速度0.27g；E2地震作用時抗震的重要性系數為Ci=1.70，水平向動峰值加速度0.92g。E1地震作用下水平向加速度反應譜見圖4。

圖4 E2地震水平設計加速度反應譜

為驗算橋梁橋墩塑性鉸的轉動能力或墩頂位移是否滿足規(guī)范的要求，需要得到橋墩在最不利軸力下等效屈服的曲率和極限破壞狀態(tài)的曲率，即橋墩軸力-彎矩-曲率曲線（P-M-Φ曲線）。本橋橋墩等效屈服彎矩為5363.21kN·m，等效屈服曲率為0.002344，極限屈服彎矩為5588.05kN·m，極限屈服曲率為0.009712，橋墩的P-M-Φ見圖5。

圖5 橋墩的P-M-Φ曲線

2.3 抗震計算成果及分析

采用多重Ritz向量法對橋梁縱橋向X方向、橫橋向Y方向各20階震型進行特征值分析，得到縱橋向陣型參與有效質量為95.74%，橫向橋振型參與有效質量為94.78%，滿足規(guī)范中所考慮的振型階數在計算方向獲得90%以上有效質量的要求。橋梁結構前四階自震特性見表1，震型見圖6-9。

表1 橋梁自振特性

圖6 橋梁第一階振型

圖7 橋梁第二階振型

圖8 橋梁第三階振型

圖9 橋梁第四階振型

地震作用效應采用CQC法計算，橋梁在恒荷和地震作用下彎矩圖，見圖10。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.12.013

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1672-2469(2014)12-0038-02

楊竹林（1972年—），男，教授級高級工程師。