高烈度地區(qū)高架橋抗震設(shè)計(jì)淺論
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摘要：文章探討高烈度地區(qū)橋梁抗震設(shè)計(jì)抗震體系選擇以及抗震分析建模原則，結(jié)合工程案例，分別采用反應(yīng)譜法和時(shí)程法進(jìn)行橋梁減隔震分析，為相似橋梁的減隔震設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：高烈度；高架橋；減隔震設(shè)計(jì)；反應(yīng)譜迭代
1抗震體系選擇
橋梁結(jié)構(gòu)的抗震體系有兩種，即延性抗震體系和減隔震抗震體系。延性抗震體系通過(guò)橋墩的彈塑性變形耗能；減隔震抗震體系通過(guò)橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件耗能，一般采用減隔振支座。設(shè)計(jì)時(shí)，只能選擇其中一種抗震體系，不能同時(shí)選用兩種體系。城市高架橋具有上部結(jié)構(gòu)梁體寬、自重大，下部結(jié)構(gòu)墩柱剛度大、自振周期短等特點(diǎn)。地震時(shí)，高烈度地區(qū)城市高架橋的墩柱受力比較大，采用延性抗震體系會(huì)使墩柱、基礎(chǔ)的工程量顯著增加，方案的經(jīng)濟(jì)性較差。有研究表明，與延性抗震體系相比，對(duì)中、矮墩采用減隔震體系更經(jīng)濟(jì)，隨著墩高增大，經(jīng)濟(jì)性差異逐漸減小。采用減隔震體系的橋梁在震后不需要維修或只需簡(jiǎn)單維修，可以快速恢復(fù)使用，對(duì)城市交通的影響較小。城市高架橋多采用中、矮墩，墩高在15m內(nèi)。高烈度地區(qū)高架橋抗震體系宜首選減隔震體系，橋梁減隔震設(shè)計(jì)常采用減隔震裝置，包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座和摩擦擺式支座。
2抗震分析建模原則
2.1減隔震抗震分析方法
減隔震支座具有非線性特性，采用減隔震體系的橋梁屬于非規(guī)則橋梁，減隔震橋梁應(yīng)采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法或多模態(tài)反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析。（1）減隔震橋梁的基本周期（隔振周期）大于3s。（2）減隔震橋梁的等效阻尼比超過(guò)30%。（3）考慮豎向地震作用。
2.2建模原則及參數(shù)選擇
（1）計(jì)算模型應(yīng)考慮相鄰結(jié)構(gòu)和邊界條件的影響，通常將計(jì)算模型相鄰聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)作為邊界條件，否則不能真實(shí)反映過(guò)渡墩的地震效應(yīng)。（2）樁土效應(yīng)采用土彈簧模擬，彈簧剛度采用m法計(jì)算或在承臺(tái)底加6個(gè)方向的彈簧等效模擬，彈簧剛度根據(jù)土層狀況和樁布置按m法計(jì)算，一般情況下，m動(dòng)=（2~3）m靜。（3）在計(jì)算模型中，梁體和墩柱采用空間桿系單元模擬，預(yù)應(yīng)力箱梁宜保留預(yù)應(yīng)力鋼束作用。忽略箱梁預(yù)應(yīng)力作用時(shí)，支座反力會(huì)有較大差異，引起墩柱地震作用效應(yīng)偏差。（4）抗震支座采用雙線性恢復(fù)力模型模擬，根據(jù)支座恒載支反力設(shè)計(jì)位移，合理確定支座的特征強(qiáng)度、線性剛度、屈后剛度和等效剛度等參數(shù)。（5）橫橋向和縱橋向的振型、剛度、阻尼比不同，在反應(yīng)譜分析和時(shí)程分析時(shí)的橫橋向、縱橋向抗震分析均應(yīng)單獨(dú)建立模型計(jì)算。
3工程概況
橋型布置如圖1所示。某城市高架橋部分引橋孔跨布置為30m+4×30m+3×35m，對(duì)4×30m聯(lián)進(jìn)行分析。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土等高連續(xù)箱梁，橋?qū)挾葹?4.5m，梁高1.8m。橋墩采用分離式柱式墩，墩柱截面尺寸為2m×2m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.2m；支座采用摩擦擺減隔震支座，最大允許位移200mm。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306—2015），橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度0.30g，地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期0.4s，地震分組為第二組。根據(jù)鉆孔剪切波測(cè)試結(jié)果可知，橋址區(qū)為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地。支反力及支座選型如表1所示。
4反應(yīng)譜分析
4.1反應(yīng)譜迭代計(jì)算
減隔震裝置具有非線性特性，反應(yīng)譜法是一種線性分析方法，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)應(yīng)采用等效剛度、等效阻尼比和等效阻尼修正后的反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算。分析前，減隔震裝置的位移是知，等效剛度和等效阻尼比也未知，反應(yīng)譜法分析是一個(gè)迭代過(guò)程。（1）建立橋梁抗震計(jì)算模型，初始計(jì)算時(shí)的各支座剛度取初始剛度，全橋等效阻尼比取0.05。（2）首次計(jì)算后，得到各支座位移，根據(jù)位移計(jì)算支座等效剛度、全橋等效阻尼比，根據(jù)全橋等效阻尼比修正設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜值。（3）重新進(jìn)行抗震計(jì)算，再次得到各支座位移，新的位移值與上次計(jì)算結(jié)果相差大于3%時(shí)，繼續(xù)修正支座等效剛度、全橋等效阻尼比和設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜值，進(jìn)行迭代計(jì)算，前后兩次計(jì)算的位移誤差小于3%時(shí)，迭代結(jié)束。
4.2計(jì)算結(jié)果
反應(yīng)譜計(jì)算參數(shù)及結(jié)果如表2所示。由表2可知，橋梁隔振周期隨著迭代次數(shù)增加而增大，從2.10s增大至4.22s，在第一次迭代結(jié)束后，隔振周期已大于3s，本工程抗震分析必須采用非線性動(dòng)力時(shí)程方法。分析支座位移結(jié)果，迭代終止時(shí)支座位移達(dá)661mm，遠(yuǎn)大于抗震支座的允許位移（200mm），其位移計(jì)算結(jié)果不合理。
5時(shí)程分析
5.1地震波選取
已完成地震安全性評(píng)價(jià)工程，可以根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)結(jié)果確定地震波。對(duì)于未做地震安全性評(píng)價(jià)的場(chǎng)地，可以根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜人工擬合地震波，也可以通過(guò)時(shí)域方法調(diào)整實(shí)際地震的地震波，使其加速度反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜相匹配。時(shí)程分析至少需要3組地震波，計(jì)算結(jié)果取最大值；采用7組以上地震波時(shí)，計(jì)算結(jié)果取平均值，本次采用3組擬合地震波。
5.2計(jì)算結(jié)果
以縱向地震計(jì)算為例，計(jì)算結(jié)果取3組地震波的最大值，墩底內(nèi)力及支座位移如表3所示。樁基礎(chǔ)最內(nèi)力如表4所示。
5.3抗震驗(yàn)算
進(jìn)行橋墩、基礎(chǔ)的驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)將地震作用乘以0.667的折減系數(shù)，按現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3362—2018）進(jìn)行配筋驗(yàn)算。樁基礎(chǔ)豎向承載力的驗(yàn)算不包含地震作用。
6結(jié)語(yǔ)
高烈度地區(qū)城市高架采用中、矮墩（橋墩高度不大于15m）時(shí)，宜采用減隔震抗震體系。采用反應(yīng)譜法進(jìn)行減隔震設(shè)計(jì)時(shí)，支座等效剛度、全橋等效阻尼比和設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜值應(yīng)進(jìn)行迭代計(jì)算；減隔震橋梁基本周期（隔振周期）大于3s或等效阻尼比超過(guò)30%時(shí)，反應(yīng)譜抗震計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，必須采用非線性動(dòng)力時(shí)程方法。
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作者:武慶喜 單位:中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司