甄玉杰， 連云杰

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司， 陜西 西安 710075; 2.中建三局集團(tuán)有限公司)

1 工程概述

西安正陽大道橫跨南北，向北縱貫秦漢新城、涇河新城連接西咸北環(huán)線，向南通過正陽渭河大橋跨越渭河，是連接大西安各版塊之間的重要交通線路之一。該項(xiàng)目南起正陽大橋蘭池大道互通式立交，北至秦漢新城與涇河新城交界，全長3.51 km。

機(jī)場東線跨線橋，為該項(xiàng)目下穿機(jī)場東線所設(shè)的一座分離式立交橋，建成后橋梁屬于機(jī)場東線。該橋?yàn)橐蛔?×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋，橋梁全長125 m，橋梁全寬15.5 m。橋梁總體布置如圖1所示。其主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計汽車荷載等級：公路-Ⅰ級；環(huán)境類別：Ⅰ類；地震基本烈度：8度，地震動峰值加速度為0.20g，橋梁抗震設(shè)防措施等級為9度；結(jié)構(gòu)安全等級：一級；設(shè)計基準(zhǔn)期：100年。

圖1 機(jī)場東線跨線橋橋型總體布置(單位：cm)

大橋平面位于半徑R=4 550 m的圓曲線上；縱面位于縱坡i1=-0.54%，i2=-0.3%的直線上。

2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁。主梁斷面圖如圖2所示。橋面寬15.5 m(0.25 m人行道護(hù)欄+2.75 m人行道+9.5 m行車道+2.75 m人行道+0.25 m人行道護(hù)欄)，箱梁中心梁高170 cm，雙向坡度均為2%，梁底水平。箱梁采用單箱雙室截面, 懸臂長度250 cm，腹板采用斜腹板，投影水平距離為27.5 cm，翼緣板端部厚0.2 m，根部厚0.45 m。箱梁頂板厚25 cm，跨中底板厚22 cm，腹板厚45 cm，支點(diǎn)附近底板由22 cm線性過渡到40 cm，橫梁處腹板厚度由45 cm線性過渡到65 cm，腹板變化段與底板變化段均在同一位置，變化長度為6 m。中橫梁寬2.2 m，端橫梁寬1.5 m。

圖2 主梁斷面圖(單位：cm)

3 下部結(jié)構(gòu)設(shè)計

大橋橋墩采用花瓶墩，墩頂截面尺寸為5.2 m×1.6 m，墩身尺寸為2.8 m×1.6 m。橫橋向墩頂以下0.4 m范圍為5.2 m寬的等寬段, 0.4 m～墩底范圍內(nèi)通過圓弧漸變段變化至2.8 m寬，墩身截面邊角設(shè)直徑0.2 m的圓倒角。橋墩承臺厚2.2 m，承臺尺寸為5.6 m×5.6 m，基礎(chǔ)采用4根直徑 1.3 m鉆孔灌注摩擦樁。橋墩構(gòu)造圖如圖3所示。

圖3 橋墩構(gòu)造圖(單位：cm)

橋臺采用墻式臺，基礎(chǔ)采用8根直徑 1.2 m鉆孔灌注摩擦樁。

4 結(jié)構(gòu)抗震計算

4.1 結(jié)構(gòu)計算模型

結(jié)構(gòu)采用桿系單元建立有限元模型，全橋共分為296個節(jié)點(diǎn)，260個單元。

全橋采用HDR支座，支座參數(shù)見表1，采用鉛芯橡膠支座進(jìn)行模擬，樁基剛度采用土彈簧模擬。

表1 HDR支座參數(shù)

4.2 自振特性計算

橋梁自振特性是研究橋梁動力問題的基礎(chǔ)，為了計算地震作用下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，必須首先計算橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性。取結(jié)構(gòu)前50、100、200、300階模態(tài)進(jìn)行試算，得到在第289階模態(tài)各計算方向的有效質(zhì)量均超過了90%。根據(jù)建立的動力計算模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)自振特性分析，結(jié)構(gòu)的自振頻率及振型特征如表2所示。

表2 成橋狀態(tài)自振頻率及振型

4.3 抗震反應(yīng)譜曲線

反應(yīng)譜方法是將動力問題靜力化，可以用較少的計算量獲得結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)值。

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告，該橋地震動峰值加速度為0.2g，基本烈度為8度，場地類別為Ⅱ類，分區(qū)特征周期為0.4 s。

阻尼是結(jié)構(gòu)非常重要的動力特性，對于常規(guī)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，結(jié)構(gòu)的阻尼比可取0.05。

抗震分析采用多振型反應(yīng)譜法，水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜S根據(jù)地勘報告和JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》確定，E1、E2地震反應(yīng)譜曲線如圖4所示。

圖4 E1、E2地震反應(yīng)譜曲線圖

計算地震荷載組合采用SRSS法，縱向和橫向地震作用計算時分別考慮50%的豎向作用。

4.4 E1地震驗(yàn)算

根據(jù)JTG/TB02-01-2008《公路抗震設(shè)計細(xì)則》，E1地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，計算采用軸力-彎矩-曲率曲線中的首次屈服彎矩進(jìn)行控制，若E1地震作用下塑性鉸區(qū)的彎矩小于首次屈服彎矩即認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)。

縱向地震作用下，橋墩縱向彎矩如圖5所示。

圖5 E1地震作用下橋墩縱向彎矩(單位:kN·m)

橫向地震作用下，橋墩橫向彎矩如圖6所示。

圖6 E1地震作用下橋墩橫向彎矩(單位:kN·m)

為了得到橋墩截面的首次屈服彎矩，需要繪制彎矩曲率曲線，混凝土材料采用Mander模型，鋼筋采用雙折線模型。

由以上可知：在E1地震作用下，橋墩處于彈性狀態(tài)。彈性抗震設(shè)計，用構(gòu)件的強(qiáng)度作為衡量結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)，只需校核構(gòu)件的強(qiáng)度是否滿足要求。經(jīng)驗(yàn)算，橋墩單元強(qiáng)度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

4.5 E2地震驗(yàn)算

在E2地震作用下，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)單元強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)部分墩底單元已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)，需進(jìn)行橋墩塑性驗(yàn)算。在E2地震作用下，允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但應(yīng)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度(地震中大量鋼筋混凝土墩柱的剪切破壞表明，在橋墩塑性鉸區(qū)域由于彎曲延性增加會使混凝土所提供的抗剪強(qiáng)度降低)。對于規(guī)則橋梁，還應(yīng)驗(yàn)算墩頂位移。橋墩塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表3。

表3 橋墩塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果

由表3可知：在E2地震作用下，橋墩塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。

橋墩墩頂位移驗(yàn)算結(jié)果見表4，滿足規(guī)范要求。

表4 橋墩墩頂位移驗(yàn)算結(jié)果

4.6 支座位移驗(yàn)算

根據(jù)橋梁實(shí)際情況以及支座檢測報告中的參數(shù)，采用支座相對位移作為驗(yàn)算指標(biāo)。

在E2地震作用下，支座縱向和橫向位移見表5。

表5 支座水平位移驗(yàn)算結(jié)果

綜合表5及HDR支座參數(shù)可見，支座相對位移在設(shè)計容許位移以內(nèi)，支座驗(yàn)算滿足要求。

5 結(jié)論

利用大型有限元軟件對西安正陽大道機(jī)場東跨線橋進(jìn)行了兩階段兩水平抗震設(shè)計分析，計算分析表明，大橋結(jié)構(gòu)尺寸取值基本合理，結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下，滿足規(guī)范要求。

(1) 在E1地震作用下，采用彎矩曲率曲線進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，截面抗彎強(qiáng)度滿足要求。

(2) 在E2地震作用下，部分墩柱墩底截面發(fā)生屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)，橋墩塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度、墩頂位移、支座水平位移均滿足規(guī)范要求。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要重視并加強(qiáng)塑性鉸區(qū)的配筋設(shè)計。