朱庚申

(云南省設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 昆明市 650228)

1 工程概況

某公路橋上部為3×20m跨預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，橋面連續(xù)，通過(guò)調(diào)整濕接縫寬度實(shí)現(xiàn)橋面變寬，預(yù)制T梁高度為1.1m，為密肋式矮T梁結(jié)構(gòu)形式，中主梁懸臂長(zhǎng)0.5m，邊主梁外懸臂長(zhǎng)0.55m，頂板厚0.16m，T梁腹板跨中區(qū)域到支點(diǎn)采用變截面形式，主梁采用C50混凝土。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，高低墩形式布置，墩間距為5.5m，墩徑為1.4m，材料為C35混凝土，樁徑1.5m，材料為C30混凝土，其中樁系梁材料與樁基一致，橋臺(tái)采用柱式臺(tái)形式，材料為C35混凝土。

主梁支座采用板式橡膠支座形式，其中橋臺(tái)支座形式為GJZF4250×300×54，橋墩支座形式為GJZ250×300×52，預(yù)制T梁縱橋向兩端均設(shè)置減震橡膠塊。橋型布置圖如圖1所示。

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與抗震分析模型建立

本橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

(1)橋面變寬，防撞護(hù)欄寬0.5m，0#橋臺(tái)橋跨線處橋?qū)払=9467.7mm，1#橋墩橋跨線處橋?qū)払=9487.9mm，2#橋墩橋跨線處橋?qū)払=10475.6mm，3#橋臺(tái)橋跨線處橋?qū)払=10768.3mm。

(2)設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

(3)設(shè)計(jì)荷載:公路-I級(jí)。

(4)設(shè)計(jì)行車速度：80km/h。

(5)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：抗震設(shè)防類別B類，地震動(dòng)峰值加速度0.20g，區(qū)劃圖上特征周期0.45s。

(6)環(huán)境類別：Ⅱ類。

(7)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

采用Midas/Civil 2019軟件進(jìn)行抗震相關(guān)計(jì)算分析。其中主梁、橫梁、墩柱、樁基、系梁均采用空間梁?jiǎn)卧M，為簡(jiǎn)化計(jì)算，主梁邊支撐僅考慮板式橡膠支座剛度，不再考慮邊墩蓋梁、墩柱、樁基與支座的剛度耦合。利用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬樁—土相互作用，其順橋向、橫橋向及豎向約束剛度采用M法計(jì)算[1-3]。

所建立的抗震分析Midas/Civil有限元模型如圖2所示。本橋?yàn)槎嗥苯籘梁，為準(zhǔn)確反映整體結(jié)構(gòu)力學(xué)行為，上部結(jié)構(gòu)采用梁格法建模。橡膠支座作用采用線性彈簧模擬，板式橡膠支座縱橫向彈簧剛度計(jì)算如下：

全橋約束如下：板式橡膠支座Dy和Dz按照剛度k進(jìn)行約束，豎向剛度設(shè)置為無(wú)限大，不約束轉(zhuǎn)角位移；滑板式橡膠支座除豎向剛度無(wú)限大外，其他約束均自由。樁土相互作用按照M法進(jìn)行輸入，根據(jù)規(guī)范該橋地基土比例系數(shù)取30000kN/m4?？紤]地震作用的土彈簧，m動(dòng)=(2～3)m靜，在計(jì)算模型中本次按照3倍考慮[4]。

圖2 抗震分析Midas/Civil有限元模型

3 最不利地震輸入方向確定

本橋E1和E2地震分析均采用多振型反應(yīng)譜法。本橋?yàn)樾苯粯?，?dòng)力特性區(qū)別于直線橋，不能按照直線橋方法直接確定地震輸入方向。在Midas/civil抗震計(jì)算模型分析時(shí)，全橋只能確定一組地震輸入方向(橫向+縱向)，結(jié)合規(guī)范曲線橋分析方法[5]，本橋取圖3中的四組工況以確定最不利輸入方向。

圖3 地震輸入方向示意

分別以1#橋墩和2#橋墩為關(guān)注構(gòu)件，通過(guò)分析內(nèi)力(軸力、剪力、彎矩和扭矩)情況，確定最不利地震輸入方向。在內(nèi)力分析時(shí)，本橋橋墩均為高低墩設(shè)置，低墩受力相對(duì)不利，因此以低墩墩頂和墩底內(nèi)力為關(guān)注位置，以E1地震作用為例，1#低墩和2#低墩墩頂墩底4種工況內(nèi)力對(duì)比情況如圖4所示。

由圖4得知，1#橋墩4種工況順橋向和橫橋向墩頂和墩低軸力和剪力數(shù)值相差不大，4種工況中工況3引起截面軸力和剪力Fy數(shù)值較大；同時(shí)1#橋墩順橋向各工況墩底彎矩My水平較大，橫橋向各工況墩頂彎矩Mz水平較大，工況3相比于其他工況，在墩頂和墩底截面引起較大彎矩。2#橋墩4種工況順橋向和橫橋向墩頂和墩底軸力和剪力數(shù)值相差不大，4種工況中工況3引起截面軸力和剪力Fy數(shù)值較大；同時(shí)2#橋墩順橋向各工況墩底彎矩My水平較大，橫橋向各工況墩頂彎矩Mz水平較大，2#墩內(nèi)力規(guī)律和1#墩一致，工況3相比于其他工況，在墩頂和墩底截面引起較大彎矩。

工況3引起的順橋向和橫橋向橋墩截面內(nèi)力最為不利，后續(xù)地震輸入方向以工況3方向?yàn)榈卣鹱畈焕斎敕较?，以進(jìn)行本橋的抗震分析和驗(yàn)算，減少計(jì)算工作量。

4 驗(yàn)算結(jié)果

4.1 E1地震強(qiáng)度驗(yàn)算

在永久作用和地震作用偶然組合下，橋墩作為偏心受壓構(gòu)件，驗(yàn)算結(jié)果如圖5所示。

本橋橋墩墩柱截面主筋為36Φ25的HRB400鋼筋,配筋率為1.15%,根據(jù)橋墩配筋情況，在Midas/civil中分別輸入橋墩約束混凝土和鋼筋雙折線應(yīng)力應(yīng)變特性，得到彎矩-曲率曲線如圖6所示。

提取各墩墩頂和墩底彎矩，最大彎矩位于1#底墩墩底截面，其數(shù)值為2418.9kN·m，小于由圖6所得到的橋墩截面初始屈服彎矩3468kN·m，滿足E1狀態(tài)下彈性工作要求。

圖4 四種工況下橋墩內(nèi)力情況

圖5 E1地震橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

圖6 橋墩截面彎矩-曲率曲線

4.2 E2地震強(qiáng)度驗(yàn)算

本橋橋墩為柱式墩，截面為圓形，直徑D=1.4m，最低墩高為9.481m，橋墩墩頂墩底箍筋加密區(qū)設(shè)置間距為10cm的雙肢D10HPB300箍筋。依據(jù)抗震細(xì)則，墩柱的計(jì)算長(zhǎng)度與截面直徑之比為9.481×1.2/1.4=8.13>2.5，因此，可不進(jìn)行墩柱在E2地震下的正截面強(qiáng)度計(jì)算，僅對(duì)斜截面抗剪進(jìn)行驗(yàn)算。

計(jì)算表明，橫向地震作用下抗剪組合值最為不利，位于2#橋墩墩底截面處，其數(shù)值為770.2kN，小于抗剪抵抗值1267.4kN，滿足要求。

4.3 E2地震樁基強(qiáng)度驗(yàn)算

E2地震作用下，樁基礎(chǔ)應(yīng)作為能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)使其盡量保持彈性或輕微塑性狀態(tài)，樁基礎(chǔ)主筋采用36Φ28的HRB400鋼筋，通過(guò)提取截面彎矩-曲率曲線得到樁基礎(chǔ)等效屈服彎矩為6009.26kN·m，樁基礎(chǔ)抗彎能力采用樁身截面等效屈服彎矩，即截面上有部分鋼筋進(jìn)入屈服，滿足E2地震作用局部發(fā)生可修復(fù)的損傷，地震發(fā)生后基本不影響車輛通行的性能目標(biāo)要求。

樁基內(nèi)力由順橋向控制，順橋向樁基E2地震驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樁基順橋向驗(yàn)算結(jié)果

本橋樁基最不利彎矩由低墩控制，其中1#橋墩低墩樁基抗彎需求為5471.6kN·m，與等效屈服彎矩相比，能力/需求為1.10，滿足E2地震作用下“結(jié)構(gòu)可修”的性能要求。

5 結(jié)論

采用Midas/civil有限元軟件，對(duì)某公路3×20m跨徑高低墩斜交梁式橋進(jìn)行了抗震分析。確定了地震最不利輸入方向并進(jìn)行了高低墩強(qiáng)度與樁基驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。