大跨度橋梁的抗震設計

1、1、 概述大跨度橋梁與中等跨徑相比，因結(jié)構(gòu)的空間性與復雜性，地震反應比較復雜，高階振型的影響比較明顯。目前大跨度橋梁的抗震設計還沒有一個統(tǒng)一標準，國內(nèi)規(guī)范沒有對大跨度橋梁進行詳細規(guī)定，抗震計算比較復雜。本文主要介紹了京津城際某大跨預應力混凝土連續(xù)梁墩身、基礎(chǔ)部分的抗震計算。根據(jù)鐵路工程抗震設計規(guī)范（修訂），運用midas有限元程序，采用反應譜分析方法計算地震力，以便為抗震設計提供依據(jù)。本橋橋面系為無碴橋面預應力混凝土連續(xù)箱梁，其橫截面為單箱單室截面，選取橋跨（40+64+40）m的預應力混凝土連續(xù)梁作為計算模型?；炷敛捎肅50，梁底下緣按二次拋物線變化；采雙線圓端型橋墩，3號墩為制動墩，邊墩

2、簡支梁固定支座設在4號墩。 圖1 全橋模型圖2（a）邊墩墩身尺寸 圖2（b）主墩墩身尺寸2、動態(tài)反應分析（一）有限元模型建立結(jié)構(gòu)分析的第一步就是建立模型，模型建立的正確與否，簡化的模型是否能反映結(jié)構(gòu)真實的受力情況，直接影響計算結(jié)果的正確性。本算例運用橋梁有限元計算軟件Midas civil 建立全橋動力模型，模型中主梁、橋墩、承臺均采用空間梁單元進行模擬，梁墩之間采用剛性連接釋放約束模擬，承臺底采用一般彈性支承模擬，將地基及樁基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)的作用簡化成縱橫向轉(zhuǎn)動彈簧施加在承臺底，平動剛度以剛性考慮。轉(zhuǎn)動彈簧計算參數(shù)列表 表1 轉(zhuǎn)動彈簧計算參數(shù)（）墩號轉(zhuǎn)動剛度縱橋向橫橋向1墩1.2E+082.27E

3、+082墩3.44E+081.0E+093墩3.34E+089.11E+084墩1.2E+082.27E+08計算模型圖3 計算模型 抗震驗算荷載的選取連續(xù)梁全聯(lián)質(zhì)量和橋墩、承臺質(zhì)量通過定義結(jié)構(gòu)自重向X、Y,Z方向轉(zhuǎn)化。邊跨簡支梁質(zhì)量，采用施加集中質(zhì)量單元實現(xiàn)，縱橋向集中施加在4墩墩頂，質(zhì)量大小為一跨簡支梁的質(zhì)量和二期恒載質(zhì)量之和；橫橋向施加在兩邊墩墩頂，質(zhì)量取一跨簡支梁的質(zhì)量和二期恒載質(zhì)量之和的一半。全梁二期恒載184KN/m?；钶d取ZK列車活載進行驗算，根據(jù)鐵路工程抗震設計規(guī)范（修訂）要求，對于、 級鐵路，應分別按有車、無車進行計算，當橋上有車時，順橋向不計活載引起的地震力，橫橋向只計50

4、%活荷載引起的地震力，作用點在軌頂以上2m處。需要分別對橋梁順橋向及橫橋向進行單獨驗算。驗算荷載列表表2 驗算荷載（KN）墩號墩頂支座反力連續(xù)梁恒載連續(xù)梁活載簡支梁恒載簡支梁活載1墩66163435725429352墩35259595  3墩35259595  4墩6616343572542935 自震特征值分析圖3建立的動力模型，由該模型計算得到橋梁的前100階振型的頻率和周期，同時給出了前10階振型。由表3可以看出，橋梁基本頻率為2.09Hz、基本周期為0.48s?；菊裥蜑轫槝蛳蛘駝?，前幾階振型均為順橋向和橫橋向的整體振動。表3 大橋前10階自振頻

5、率及其振型描述振型自振頻率 (Hz)自振周期 (s)振型描述第一振型2.090.48全橋縱向振動，3號墩縱向彎曲振動第二振型2.290.44 梁體豎向?qū)ΨQ振動，橋墩縱向彎曲振動第三振型2.670.374號邊墩縱向彎曲振動第四振型2.900.34梁體橫向振動，橋墩橫向彎曲振動第五振型3.380.30梁體橫向振動，橋墩橫向彎曲振動第六振型4.100.24梁體橫向振動，橋墩橫向彎曲振動第七振型4.170.24梁體豎向反對稱振動第八振型5.360.19梁體豎向?qū)ΨQ振動第九振型5.780.17梁體橫向振動，橋墩橫向彎曲振動第十振型7.920.13梁體橫向振動，橋墩橫向彎曲振動圖4（a） 第1階振型 圖4

6、（b） 第2階振型 圖4（c） 第3階振型 圖4（d） 第4階振型圖4（e） 第5階振型 圖4（f） 第6階振型圖4（g） 第7階振型 圖4（h） 第8階振型圖4（i） 第9階振型 圖4（j） 第10階振型 地震荷載計算伴隨著抗震理論的發(fā)展，各種抗震分析方法也不斷出現(xiàn)在研究和設計領(lǐng)域。在結(jié)構(gòu)設計中，我們需要確定用來進行內(nèi)力組合及截面設計的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反應譜法，彈性時程分析方法來計算該地震作用值，這三種方法都是彈性分析方法。其中，底部剪力法最簡便，適用于質(zhì)量、剛度沿高度分布較均勻的結(jié)構(gòu)。它的大致思路是通過估計結(jié)構(gòu)的第一振型周期來確定地震影響系數(shù)，再結(jié)合結(jié)構(gòu)的重力荷載來

7、確定總的水平地震作用，然后按一定方式分配至各層進行結(jié)構(gòu)設計。對較復雜的結(jié)構(gòu)體系則宜采用振型分解反應譜法進行抗震計算，是根據(jù)振型疊加原理，將多自由度體系化為一系列單自由度體系的疊加，將各種振型對應的地震作用、作用效應以一定方式疊加起來得到結(jié)構(gòu)總的地震作用、作用效應。而對于特別不規(guī)則和特別重要的結(jié)構(gòu)，常常需要進行彈性時程分析，該方法為直接動力分析方法。本橋采用振型分解反應譜法。 地震動反應譜分析根據(jù)震規(guī)，橋梁結(jié)構(gòu)的動力放大系數(shù)曲線選取如下圖形： 圖5 動力放大系數(shù)曲線本橋設防烈度為7度，類場地，反應譜特征周期分區(qū)為二區(qū)，地震動反應譜特征周期Tg=0.55，設計地震動峰值加速度Ag=0.15g，多遇

8、地震水平地震基本加速度=0.05g，根據(jù)震規(guī)要求，對于特重要的橋梁，在多遇地震作用下，水平地震基本加速度應乘重要性系數(shù)1.4。 縱橋向分析結(jié)果縱橋向輸入反應譜計算結(jié)果如圖6所示圖6（a） 縱向輸入面內(nèi)彎矩圖（單位：）圖6（b） 縱向輸入面內(nèi)剪力圖（單位：） 橫橋向分析結(jié)果橫橋向輸入反應譜計算結(jié)果如圖7所示，橫橋向按照橋上“無車”情況計算。圖7（a） 橫向輸入面外彎矩圖（單位：）圖7（b） 橫向輸入面外剪力圖（單位：） 內(nèi)力匯總各墩墩底及承臺底的地震內(nèi)力列于表4。表4 無車時橋墩地震力荷載墩號縱向輸入橫向輸入縱向彎矩（）縱向剪力（）橫向彎矩（）橫向剪力（）1、4墩墩底17441208226032

9、23251、4墩承臺底2599421933554524312墩墩底（制動墩）5376493465269944492墩承臺底（制動墩）11113497198011347093墩墩底18715155253644283墩承臺底83241511798044683表5 有車時橋墩地震力荷載墩號縱向輸入橫向輸入縱向彎矩（）縱向剪力（）橫向彎矩（）橫向剪力（）1、4墩墩底1744120822806825351、4墩承臺底2599421933842926432墩墩底（制動墩）5376493465331644722墩承臺底（制動墩）11113497198084147273墩墩底18715155319644553墩承臺底83241511806014705 結(jié)果分析由表4至表5可以看出，縱橋向由制動墩承擔了連續(xù)梁所有的縱向慣性力，因此縱橋向由制動墩控制設計，橫橋向則由兩個中墩共同承擔了橫向慣性力。通過上述計算橋墩地震力計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)新修訂的鐵路工程抗震設計規(guī)范（修訂）計算所得的地震力荷載與其他荷載的組合控制橋墩身的截面設計。3、 小結(jié)大跨度橋梁的抗震設計是一項綜合性的工作，目前我國的