王玲麗,趙 凱

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

我國(guó)位于兩個(gè)地震帶之間，多次發(fā)生地震，近年有記錄的6 級(jí)以上地震達(dá)多20 余起，造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。救援生命通道暢通對(duì)于抗震救災(zāi)以及災(zāi)后重建至關(guān)重要，由于特大橋的工程造價(jià)均較高，且一般為相應(yīng)道路的重要控制性工程，因此有必要進(jìn)行相應(yīng)級(jí)別的抗震設(shè)防[1-2]。另一方面，目前的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》只適用于跨度不超過150 m 的橋梁，需對(duì)特大橋梁進(jìn)行專門的抗震設(shè)計(jì)研究。

1 工程概況

興義環(huán)城高速公路為貴州省規(guī)劃的各地州市環(huán)城高速網(wǎng)之一，峰林特大橋是興義環(huán)城高速公路上的重要控制性工程，大橋跨越馬嶺河峽谷，地勢(shì)總體北高南低，峽谷兩岸底部均為陡崖，不良地質(zhì)多而復(fù)雜，建設(shè)條件差。全橋孔跨布置為：3×40 m（先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋）+550 m（單跨鋼-混疊合梁懸索橋）+12/11×40 m（先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋），左幅橋梁全長(zhǎng)1 165.543 m，右幅橋梁全長(zhǎng)1 129.299 m，主橋立面圖及立梁橫斷面分別見圖1、圖2。

圖 1 主橋立面圖

圖 2 主梁橫斷面

2 工程場(chǎng)地地質(zhì)條件、抗震性能目標(biāo)

場(chǎng)區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)較多，有兩處不穩(wěn)定鈣華體、兩處危巖體、一處堆積體、卸荷裂隙發(fā)育。鈣華體1、2 分布面積較大，易受擾動(dòng)垮塌失穩(wěn)，但離橋位較遠(yuǎn)，對(duì)橋梁建設(shè)無影響；危巖體完整性差，穩(wěn)定性差，離橋位較近，對(duì)橋梁建設(shè)有影響；堆積體易發(fā)生失穩(wěn)，卸荷裂隙發(fā)育且離橋位較近，對(duì)橋梁建設(shè)有影響。上述不良地質(zhì)對(duì)橋梁建設(shè)有影響的，須進(jìn)行處治。不良地質(zhì)易造成地震地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)采取有效工程防護(hù)措施，并做好震后應(yīng)急保通預(yù)案。

根據(jù)規(guī)范，橋梁抗震設(shè)計(jì)須確定抗震性能目標(biāo)，該橋?yàn)楦咚俟飞系奶卮髽?，抗震設(shè)防類別為A 類。采用兩級(jí)水準(zhǔn)抗震設(shè)防，第一級(jí)水準(zhǔn)為設(shè)計(jì)地震（E1），對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期約475 年（50 年10%），第二級(jí)水準(zhǔn)為罕遇地震（E2），對(duì)應(yīng)重現(xiàn)期約2000 年（100 年5%）。E1 作用下的抗震性能目標(biāo)為加勁梁、主纜、吊索、基礎(chǔ)、主塔、橋墩均為彈性無損傷，車輛正常通行，支座、減震耗能裝置、錨碇均能正常工作；E2 作用下的抗震性能目標(biāo)為加勁梁、主纜、吊索、基礎(chǔ)、主塔、橋墩保持彈性，減震耗能裝置、錨碇能正常工作。

3 設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)

3.1 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜取為：

式中，Amax——設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度；β(T)——設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度放大系數(shù)反應(yīng)譜。根據(jù)《黔西南州興義環(huán)城高速公路建設(shè)工程場(chǎng)地地質(zhì)安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》的結(jié)論，峰林特大橋在不同超越概率下阻尼比為2%情況下的地震動(dòng)參數(shù)、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線分別如表1 所示。

表1 峰林特大橋場(chǎng)地地表設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)值（阻尼比0.02）

3.2 設(shè)計(jì)時(shí)程

采用阻尼比為2%時(shí)各概率水平下的人工合成地震動(dòng)時(shí)程數(shù)據(jù)，分別為：

（1）對(duì)應(yīng)于50 年超越概率10%（阻尼比0.02）的地表水平向設(shè)計(jì)震動(dòng)時(shí)程（人工合成）。

（2）對(duì)應(yīng)于100 年超越概率5%（阻尼比0.02）的地表水平向設(shè)計(jì)震動(dòng)時(shí)程（人工合成）。

各超越概率下均取3 組人工合成地震波，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，取其中結(jié)構(gòu)反應(yīng)最大的那組為設(shè)計(jì)地震波。

4 抗震性能計(jì)算分析

4.1 計(jì)算模型

利用有限元程序建立全橋模型，計(jì)算模型以順橋向?yàn)閄 軸，橫橋向?yàn)閅 軸，豎向?yàn)閆 軸。其中主塔、主梁均采用空間梁?jiǎn)卧骼|及吊桿采用空間索單元。首先進(jìn)行動(dòng)力特性分析，動(dòng)力特性分析時(shí)，基礎(chǔ)按固結(jié)、塔梁連接按主從約束考慮。主橋第一階振型為主梁正對(duì)稱側(cè)彎，第一階振形周期為6.646 s。因篇幅有限，示出前5 階振型圖，如圖3 所示。

圖3 前5 階振型圖

接下來進(jìn)行全橋動(dòng)力性能分析，在主橋有限元模型基礎(chǔ)上，增加引橋以及橋塔樁基部分，橋塔樁基按m 法建立樁土作用單元，地基土極限承載力frk=25 MPa，地基抗力系數(shù)C0取15 000 MPa/m。地震輸入采用兩種方式：1）縱向+豎向；2）橫向+豎向，豎向加速度的反應(yīng)譜及時(shí)程曲線形狀與水平向加速度的一致，加速度峰值為水平向加速度峰值的0.65。

對(duì)反應(yīng)譜分析和非線性時(shí)程分析兩種方法得到的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行比較，兩種方法的計(jì)算結(jié)果是較為接近的。最大彎矩為4.31×105kN·m，發(fā)生在縱向+豎向作用反應(yīng)譜分析方法下，發(fā)生在4 號(hào)北承臺(tái)底；最大塔頂位移為11.2 cm，發(fā)生在橫向+豎向作用非線性時(shí)程分析方法下，發(fā)生在4 號(hào)南塔塔頂；最大梁端位移為12.4 cm，發(fā)生在縱向+豎向作用非線性時(shí)程分析方法下；最大跨中位移為54.8 cm，發(fā)生在橫向+豎向作用反應(yīng)譜分析方法下，均滿足規(guī)范要求。

4.2 結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算

4.2.1 抗彎驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范，在地震水平E1 作用下，樁基截面的地震反應(yīng)彎矩應(yīng)小于截面初始彎矩（考慮最不利軸力組合），此時(shí)截面最外層受拉鋼筋沒有屈服，整個(gè)截面保持彈性范圍，截面的裂縫寬度在容許值內(nèi)，結(jié)構(gòu)基本無損傷。

在地震水平E2 作用下，樁基截面的地震反應(yīng)彎矩應(yīng)小于截面等效抗彎屈服彎矩（考慮最不利軸力組合），這時(shí)結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)還在彈性范圍內(nèi)，雖然可能有部分鋼筋進(jìn)入了屈服，裂縫寬度可能會(huì)超限，但只要混凝土保護(hù)層沒有被破壞，地震后裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足地震水平E2 作用下局部發(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要求[3]。

樁基礎(chǔ)驗(yàn)算截面的抗彎能力計(jì)算結(jié)果分別如表2、表3 所示，由此可以看出，在E1 和E2 地震作用下，樁的抗彎能力滿足抗震性能要求。

表2 樁基恒載+50 年超越10%地震作用下抗彎驗(yàn)算

表3 樁基恒載+100 年超越5%地震作用下抗彎驗(yàn)算

4.2.2 支座驗(yàn)算

在E2 地震作用下，應(yīng)進(jìn)行盆式支座的抗震驗(yàn)算，并滿足規(guī)范要求，主橋支座應(yīng)滿足最大縱向水平變位為±40 cm、容許轉(zhuǎn)動(dòng)角為40°的要求。

對(duì)支座進(jìn)行E2 地震作用下抗震性能驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如表4 所示。可以看出，在E2 地震作用下，支座滿足抗震性能要求。

表4 主塔支座恒載+100 年超越5%地震作用下抗震驗(yàn)算

5 結(jié)論

該文按照E1 和E2 兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)峰林特大橋的樁基礎(chǔ)和支座進(jìn)行了抗震性能驗(yàn)算。根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)在E1 和E2 兩個(gè)水準(zhǔn)地震非線性時(shí)程分析及關(guān)鍵截面抗力校核結(jié)果可以看出，主橋樁基及主塔支座均滿足抗震性能要求。為了進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，須在該研究的基礎(chǔ)上，增加主塔截面的抗震性能分析，并在此基礎(chǔ)上開展抗震措施優(yōu)化研究。此外還須針對(duì)結(jié)構(gòu)各處設(shè)置的抗震優(yōu)化措施方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析，最后確定各構(gòu)件最優(yōu)化的抗震措施，以最大程度降低地震對(duì)此特大橋造成的傷害。