异形刚架桥抗震性能分析_程路超.pdf

Construction&DesignForProject工程建设与设计1引言随着城市桥梁跨越能力和景观要求的增高，大跨度、异形的特殊刚架桥梁得到了愈发广泛的应用1。而随着异形桥梁的造型设计逐渐大胆，其在动力作用下的结构响应也越来越复杂，尤其是在地震作用下的安全指标越来越难以直观判断2-3。对异形桥梁进行相应的抗震性能分析，可以确保该类桥型在特定区域的抗震安全性能，并为类似工程提供设计参考。本文针对某异形刚架桥梁的抗震性能进行了计算分析与安全评估。通过建立三维杆系有限元模型，采用反应谱方法，计算得到该桥在E1、E2地震作用下的结构响应，从而对下部结构中桥墩立柱以及钻孔灌注桩的截面强度进行验算，并验算其桩基承载力。2工程概况该桥为异形刚架桥，设计时间为2018年，全钢结构，跨径组合50 m+78 m+50 m，总长178 m，桥上功能区宽度18 m。桥梁道路横断面布置：4 m（人行道+非机动车道）+1 m（分隔带）+8 m（车行道）+0.5 m（分隔带）+4 m（远期预留有轨电车）+0.5 m（防撞护栏）=18 m。两侧相邻联引桥均为320 m=60 m的简支空心板梁。主梁采用双主梁形式，两片主梁之间采用横梁连接，单片主梁宽度3.9 m，一般位置主梁全宽18.1 m，支点位置主梁桥塔衔接段主梁局部加宽至26.1 m，主梁等高，梁高2.5 m。主桥中跨主塔高度为桥面以上42 m，边跨主桥主塔高度为桥面以异形刚架桥抗震性能分析Seismic Performance Analysis of Special-Shaped Rigid Frame Bridge程路超（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125）CHENG Lu-chao(Shanghai Urban Construction Design and Research Institute,Shanghai 200125,China)【摘要】针对某异形刚架桥梁的抗震性能进行了计算分析。通过建立三维杆系有限元模型，采用反应谱方法，计算得到该桥在 E1、E2 地震作用下的结构响应，从而对下部结构中桥墩立柱以及钻孔灌注桩的截面强度进行验算，并验算其桩基承载力。最终该桥各项验算指标通过相应的规范要求，表明了此种异形大跨桥梁较佳的抗震性能。【Abstract】In this paper,the seismic performance of a special-shaped rigid frame bridge is calculated and analyzed.The structural responseof the bridge under E1 and E2 earthquake is calculated by establishing a three-dimensional finite element model of the rod-system and usingthe response spectrum method.The strength of the bored pile and the pier column in the lower structure is checked,and the bearing capacityof the pile foundation is checked.Finally,the bridge checking indicators meet the corresponding specification requirements,indicating aquality seismic performance of this special-shaped long-span bridge.【关键词】异形刚架桥；抗震性能分析；工程应用【Keywords】special-shaped rigid frame bridge;seismic performance analysis;engineering application【中图分类号】U442.5+5【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0094-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.028【基金项目】上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司科研项目（科 CK2020044A）【作者简介】程路超（1994），男，上海人，助理工程师，从事市政工程桥梁设计与研究。94上36 m，每跨桥塔3根塔柱，平面上Y形布置，在塔顶交汇于一点。桥塔采用矩形断面，中跨主塔断面尺寸为1.8 m2.1 m，主塔顶、底板厚度30 mm，腹板厚度25 mm；边跨主塔断面尺寸为1.5 m1.5 m，主塔顶、底板厚度25 mm，腹板厚度20 mm。主桥设置双索面拉索，拉索中跨上共设置10对，塔上间距为2 m，梁上间距为6 m；边跨每跨设置5对拉索，拉索塔上间距为2 m，梁上间距为6 m。拉索采用整体式挤压钢绞线索。主墩为柱式混凝土结构，共设置2根单独基础的立柱，立柱截面尺寸2.5 m2.5 m。每个立柱下设置一个承台，承台尺寸7 m7 m2.5 m。基础采用直径1 m的钻孔灌注桩，每个承台下共9根桩。过渡墩采用盖梁加双柱式混凝土结构，立柱截面尺寸为2 m2 m，每个立柱下设置一个承台，承台尺寸7 m7 m2.5 m。基础采用直径1 m的钻孔灌注桩，每个过渡墩承台下共9根桩。图1为该桥立面图。图 1桥梁立面图按照相应设计规范4的有关规定以及项目地勘资料，确定场地信息见表1。表 1场地信息场地类别抗震设防烈度设计基本地震加速度设计地震分组特征周期/s类7 度0.10g第二组0.553抗震分析计算模型为了能精确模拟上下部构件，计算模型采用三维空间杆系有限元分析模型，模型建立如图2所示。图 2全桥动力分析模型桩基础采用等效的土弹簧单元模拟土-桩基础的相互作用。线性模型的边界及连接条件见表2。表 2边界条件位置xyzxyz双向活动支座主梁顺桥向固定支座主梁横桥向固定支座主梁双向固定支座主梁010100111111000000001111注：1.0表示自由，1表示主从或固结。2.x、y、z分别表示顺桥向、横桥向以及竖向。对上述结构进行振型分析，得到前5阶主要结构振型情况。表3给出了主桥前5阶振型。表 3主桥动力特性表阶数周期/s频率/Hz振型描述123450.7210.5860.5100.4030.3541.3871.7061.9612.4812.825主梁纵向振动主梁横向振动主梁竖向振动拱肋横向振动主梁竖向振动考虑E1、E2两阶段地震作用，根据规范5中相关规定，该桥设计地震动参数取值见表4。本项目设计时文献5为现行规范，故本项目中相关参数按文献5选取。表 4设计地震动参数地震作用水平水平向基本地震动峰值加速度 A/g抗震重要性系数 Ci场地系数 Cs阻尼调整系数Cd设计加速度反应谱最大值 Smax特征周期 Tg/sE1E20.10.10.431.31.31.3110.126g0.380g0.550.554桥梁结构地震响应与验算由于全桥未采用非线性构件，故采用反应谱方法对结构进行地震响应分析，分别输入纵、横桥向地震作用，计算得到下部结构在E1、E2地震作用下的响应，从而以此进行立柱及桩基的截面验算。4.1立柱地震响应与验算通过反应谱法的地震输入，计算得到桥墩在两阶段地震作用下的内力响应，与结构重力作用下的内力组合，可以得到各类型截面最不利状态下的地震内力，均为纵向作用下的工况，结构响应如表5、表6所示。MunicipalTrafficWater ResourcesEngineering Design市政 交通 水利工程设计95Construction&DesignForProject工程建设与设计【收稿日期】2022-07-26表 5各桥墩最不利工况下地震响应（E1）截面尺寸地震输入方向单元最不利地震内力轴力/kN剪力/kN弯矩/（kN m）2.5 m2.5 m2.0 m2.0 m纵向纵向2491171 95929513 5472 480表 6各桥墩最不利工况下地震响应（E2）截面尺寸地震输入方向单元最不利地震内力轴力/kN剪力/kN弯矩/（kN m）2.5 m2.5 m2.0 m2.0 m纵向纵向7523555 92489340 9567 499结合桥墩截面配筋情况，可以计算得出各尺寸的桥墩截面在不同轴力作用下的初始屈服弯矩及等效屈服弯矩，与E1、E2地震作用下计算得出的弯矩需求相比，可以得到相应的验算结果如表7、表8所示。表 7各桥墩最不利工况下抗震性能验算（E1）截面尺寸地震输入方向验算轴力/kN弯矩需求/（kN m）初始屈服弯矩/（kN m）能力需求比配筋率/%验算结果2.5 m2.5 m2.0 m2.0 m纵向纵向10 5066 52413 5472 48030 79012 9002.275.201.220.88通过通过表 8各桥墩最不利工况下抗震性能验算（E2）截面尺寸地震输入方向验算轴力/kN弯矩需求/（kN m）等效屈服弯矩/（kN m）能力需求比配筋率/%验算结果2.5 m2.5 m2.0 m2.0 m纵向纵向10 0036 28640 9567 49944 50018 0101.092.401.220.88通过通过各截面在E1、E2作用下的能力需求比均大于1，表明安全性能满足抗震规范要求。4.2桩基地震响应与验算与桥墩类似，桩基在求得纵、横桥向单桩反力并比较得出最不利值后进行截面及承载力验算。桩基在最不利工况下的地震响应见表9。表 9桩基地震响应地震作用水平地震输入方向单元最不利地震内力轴力/kN剪力/kN弯矩/（kN m）E1E2纵向纵向1 4584 409230694318962可以发现，中墩处钻孔灌注桩在纵桥向地震输入的受力情况更不利，表10给出了地震中墩处钻孔灌注桩对应的验算结果。表 10桩基截面验算地震作用水平地震输入方向验算轴力/kN弯矩需求/（kN m）初始（等效）屈服弯矩/（kN m）能力需求比配筋率/%验算结果E1E2纵向纵向281-2 6703189621 3091 2734.11.31.891.89通过通过在E2地震作用下，进行单桩竖向承载力验算，结果见表11。表 11桩基承载力验算地震作用水平地震输入方向恒载轴力/kN地震轴力/kN组合轴力/kN单桩竖向承载力/kN能力需求比验算结果E2纵向17394409614888001.43通过各截面在E1、E2作用下的能力需求比均大于1，桩基承载力大于地震作用下的组合轴力，表明桩基的安全性能满足抗震规范要求。5结语本文以某实际工程为背景，针对该种类型的异形刚架景观桥梁，建立了三维杆系有限元模型，采用反应谱方法，计算得到E1、E2两阶段地震作用下的结构响应，并比较得出下部结构各构件的最不利地震工况，从而根据规范进行下部结构的各响应验算。最终验算表明，本工程的各构件在最不利地震工况下的各项安全指标均满足要求，说明该种类型的桥梁体系抗震性能良好，在满足了跨越能力以及景观特色的基础上，可以保证地震作用下的安全性能。【参考文献】1左岩岩,牛田新,张幼鹤.现代城市景观桥梁设计合理化方案研究J.城市住宅,2021,28(8):143-144.2尹志逸.中承式外倾飞燕系杆拱桥抗震性能分析J.工程技术研究,2019,4(10):101-102.3王彩花.下承式组合梁钢拱桥的设计分析J.山西建筑,2021,47(8):140-142.4中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范:GB500112010S.2016 年版.北京:中国建筑工业出版社,2010.5中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计细则:JTG/TB02-012008S.北京:人民交通出版社,2008.96