高架桥抗震设计一例

作者简介:林宝良(1971～),男,广东普宁人,工程师.

高架桥抗震设计一例

林宝良

(汕头市公路勘察设计院,汕头　515041)

摘　要:结合西港高架桥20m 跨空心板抗震设计的工程实例,对桥梁抗震的计算方法(静

力法、反应谱理论、动态时程分析法)进行分析和探讨.力求在桥梁抗震设计中能够采用正

确的计算方法,达到减少地震灾害的目的.

关键词:地震力理论;静力法;反应谱理论;动态时程分析法

中图分类号:T U352　　　文献标识码:B 　　　文章编号:100124217(2004)0320075206

0　引　言

随着现代化城市人口的大量聚集和经济高度发达,城市防灾问题更为突出.就地震震害教训来看,近20年来,在美国19年的洛马・普里埃塔地震和1994年的诺斯雷奇地震以及日本1995年的阪神大地震中,高速公路高架桥、立交桥工程、现代化城市中干道高架桥的震害十分严重.桥梁毁坏使现代化城市交通网络中断,造成巨大经济损失.因此,在实际工程设计中如何更加全面准确地考虑地震对桥梁造成的影响,采取正确的抗震计算方法以及采取有效的构造措施,尽可能减少地震造成的损失,成为桥梁设计工作者的一个重要工作内容.本文将通过西港高架桥的实际工程设计,并结合有关理论知识,讨论桥梁抗震设计的计算.

1　西港高架桥区域地震情况概述

汕头市梅溪河金凤大桥—西港高架桥是汕头市在建的市区东西走向的快速路,起点为汕头市黄河路与天山路的交叉口,终点与汕头　石大桥相接,其中西港高架桥长16241055m .西港高架桥区域地质构造上属闽粤东部沿海差异性明显的断块活动区,东南沿海地震亚区,泉州—汕头地震带.根据广东省地震局对潮汕地区小区地震危险性分析,区内北东向与北西向及东西向三组不同方向的断裂其交汇或相互切割的复合部位一般地壳活动比较活跃,是发生地震和潜在震源区.汕头市为广东省地震高发区,地震活动频繁,并受北东向与北西向活动性断裂控制,地震沿断裂构造呈带状分布.根据《广东省地震烈度区划图》和本工程《地震安全性评价报告》,工程经过地区地震烈度为VIII 度区.西港高架桥设计根据《地震安全性评价报告》,并参照汕头海湾大桥、　石大桥抗2004年8月

Aug.2004　汕头大学学报(自然科学版)Journal of Sh antou U niversity (N atural Science)第19卷　第3期V ol 119N o 13

2　抗震计算的原则

一般地震基本烈度为VII度及VII度以上时,桥梁除在构造上要采取抗震措施外,还应根据地震基本烈度和场地土的情况进行强度验算和稳定性验算.验算可按水平地震荷载作用和竖直地震荷载作用两种情况进行.当按水平地震荷载验算时,水平地震荷载应与结构重力、土的重力和水浮力相组合.水平地震荷载不应与任何附加力(如制动力,风力,冰压力)和特殊荷载(如船舶撞击力)组合.对位于基本烈度为IX度地区的大跨径悬臂梁桥,应考虑上下两个方向竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合.

地震力作用时,墩台身和基础竖向水浮力按常水位计算.计算墩台身和基础水平地震力时,墩台身和基础位于水中部分不考虑水浮力的作用.

位于非岩石地基上的梁桥桥墩抗震设计,应计算地基变形的影响.

地震时墩台顶横向位移应有一值,但目前还缺乏这方面的资料.一般设计时采用在墩台顶设横向挡块,并在挡块和梁体垫橡胶板的抗震措施.

3　抗震计算方法的选择

地震力理论也称为地震作用理论[1],它研究地震时地面运动对结构物产生的动态效应.地面运动现可用强震仪以加速度时程曲线(两个水平,一个竖向)的形式记录,在工程应用中简称地震波记录.结构在地震波激励下的强迫振动是随机振动,求解结构地震反应是相当复杂的.在桥梁抗震计算中,主要经历以下三种计算方法的演变过程.

1)静力法

这是早期采用的一种计算方法,该法由日本的大房森吉于19年提出.它假设结构物为一刚体,地震时结构各个部分产生的水平加速度与地面水平加速度相同.结构中任一质量m i由最大水平加速度产生的水平惯性力就是该质点产生作用于结构上的水平地震力,即P i=C i C z K h W i,式中C i(重要性修正系数)、C z(综合影响系数)、K h(水平地震系数)分别按《公路工程抗震设计规范》(J T J0042)表11014、表41214、表11017采用.

从动力学角度看,静力法忽略了结构的动力特征这一重要因素,且只有当结构物的基本固有周期比地面运动卓越周期小很多时,静力法才能成立,否则就不能适用.实际工程设计中,我们在计算桥台抗震时一般采用静力法.

2)动力法—反应谱理论

反应谱理论是以大量强震水平加速度记录为基础,经过动力计算和数理统计分析,按照结构物作为单质点振动体系,以振动基本周期与最大水平加速度反应的函数关系(反应谱曲线)作为结构物地震反应计算荷载的依据.这是二十世纪五十年代发展起来的一种抗震计算方法,目前大多数国家对常用的桥梁结构型式的中小跨桥梁都采用该法进行抗震计算.这种方法被许多国家采纳在相应的工程结构抗震设计规范中.我国的《公路工程抗震设计规范》(J T J0042)中也对该方法在各种情况下的地震荷载计算作了比较详细的规定和说明.

3)动力法—动态时程分析法

二十世纪六十年代后,动态时程分析法逐渐发展并完善起来.动态时程分析法是指对结构采用多节点、多自由度的结构有限元动力计算图式,把地震强迫振动的激振—地震加速度时程直接输入,对结构进行地震时程分析的方法.该方法可以考虑各种不同因素,使结构抗震计算分析的结果更加符合实际震害现象.

随着对地震震害资料的分析和对地震作用的深入研究,抗震计算的静力法愈来愈暴露出它的不合理程度.反应谱理论计算方法是目前结构抗震设计中广泛使用的方法.反应谱理论设防标准采用烈度或加速度峰值来表示,它反映了地面运动和结构动力的特性,但其采用的形式还是“地震荷载”的概念,反应谱理论计算地震力时引入结构综合影响系数C z 来考虑塑性变形的影响,作为反映结构延性抗震能力的一个折减系数.但目前C z 取值依据尚欠科学,不可能确切反映影响结构延性的各种因素.动态时程分析法可以精确地考虑结构、土和深基础相互作用,地震波相位差及不同地震波多分量多点输入等因素建立结构动力计算图式和相应地震振动方程,同时其对结构几何和物理非线性以及各种减震、隔震装置(如桥梁特制橡胶支座,特种阻尼装置等)非线性性质加以考虑的非线性地震反应分析更趋成熟和完善.目前,大多数国家除对中小跨桥梁仍采用反应谱理论计算外,对重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算都建议采用动态时程分析法.

西港高架桥20m 跨空心板抗震计算采用动力法—反应谱理论进行抗震计算.

4　西港高架桥20m 跨空心板抗震计算

411　设计资料

西港高架桥20m 跨空心板设计荷载为汽车—超20级、挂车—120;设计烈度为VIII 度,设防概率为50年10%;桥墩盖梁、柱采用C30砼;承台及桩采用C25砼.其桥墩一般构造如图1.恒载计算结果如表1

.

图1　桥墩一般构造图(单位:cm )77第3期林宝良:高架桥抗震设计一例

表1　恒载计算表荷载类别

上部结构恒载(一跨)下部结构恒载盖梁与2块防震挡块系梁与2个承台每米单柱每米单桩反力/kN 627118P G =1174P x =880q 1=42125q 2=50127412　顺桥向水平地震力计算

取一联5孔20m 连续桥面简支梁,结合《公路工程抗震设计规范》(J T J0042)有关

条文采用反应谱理论计算[2～3].

41211　顺桥向桥墩基本周期动力放大系数β1

1)橡胶支座抗推刚度　减小和防止顺桥向桥梁震害的措施是通过改进支座的方法来加大结构阻尼,延长顺桥向自震周期,提高桥墩延性,变单墩振动为全桥整体振动等.从理论上分析,采用板式橡胶支座可收到部分减震效果.为利于抗震,支座全部采用板式橡胶支座.每个桥墩设2×22个板式橡胶支座,尺寸为直径d =250mm ,高h =70mm .

一个墩板式橡胶支座抗推刚度:

　　K s =∑n

s i =1G d A r ∑t (1)式中板式橡胶支座动剪切模量G d =1200kN/m 2,板式橡胶支座面积A r =(π×01252)/4=01049m 2,板式橡胶支座橡胶层总厚度∑t =010m ,一个墩上板式橡胶支座数量n s =44.经计算,K s =40425kN/m .

2)桥墩抗推刚度　桩在土中的变形系数:

　　α=(m 0b 101667E 2I 2)1/5

(2)

式中m 0为地基土变形系数,根据桥址资料取m 0=1000kN/m 4,桩的计算宽度b 1=019(d +1)=2134m ,桩材料抗压弹性模量E 2=2185×104MPa ,桩的毛截面惯性矩I 2=(π/)×11m 4.经计算,α=012073.

支座顶面位移X d =X 0- 0L 0+X Q ;1/2墩身位移X H /2=X 0- 0(L 0/2)+X Q /2;其中X 0为冲刷线处位移(本工程取桩顶),L 0为冲刷线处到桩顶的距离, 0L 0为地面处转角 0所引起的位移;X Q 和X Q /2为水平力作用下产生的位移.分别按下式计算:

　　X 0=1α3E 2I 2・B 3D 4-B 4D 3A 3D 4-A 4B 3+L 0α2E 2I 2・B 3C 4-B 4C 3A 3B 4-A 4B 3

=21441α3E 2I 2+11625L 0α2E 2I 2

(3)　　 0=-(1α2E 2I 2・A 3D 4-A 4D 3A 3B 4-A 4B 3+L 0αE 2I 2・A 3C 4-A 4C 3A 3B 4-A 4B 3

)=-(11625α3E 2I 2+11751L 0αE 2I 2

)(4)87汕头大学学报(自然科学版)

第19卷

　　　　X Q =L 033E 1I 1,X Q /2=5L 0348E 1I 1

(5)其中L 0取一联桥墩支座至桩顶平均高度,L 0=2+71063+21049+011+010=111276m (其中支座垫石厚为011m ,支座厚为010m );E 1为柱材料抗压弹性模量,E 1=310×104MPa ;I 1为柱的毛截面惯性矩,I 1=1134/12m 4;A 3、A 4、B 3、B 4、C 3、C 4、D 3、D 4为用“m ”法计算桩基的有关系数,由公路桥涵地基与基础设计规范(J T J023285)附表6111查得.经计算,X 0=11145×10-4m ;X d =41602×10-4m ;X H /2=21686×10-4m .因此,桥墩抗推刚度:K P =2/X d =2/(41602×10-4)=4346kN/m ;桥墩与支座集成刚度:K tp =K S K P /(K S +K P )=3924kN/m .

3)桥墩基本振动周期　墩身重力换算系数:

　　η=0116(X 2f +2X f /22+X f ・X f /2+X f /2+1)

(6)

其中X f =X 0/X d =01249,X f /2=X H /2/X d =01584,代入得η=01396.一联上部结构总重力G sp =627118×5=31359kN ;下部结构重力G tp =G cp +η

G p =1174×5+01396×(42125×71063+880)×5=8203kN ,G cp 为盖梁重力,G p 为墩身重力;全联支座刚度总和K 1=5K s =202125kN/m ;全联桥墩刚度总和K 2=5K p =21730kN/m .

故由ω21=g ・G tp K 1+(K 1+K 2)G sp -{[G tp K 1+(K 1+K 2)G sp ]2-4G tp G sp K 1K 2}1/22・G sp ・G tp

,得基本圆频率ω1=21267,则基本周期T 1=2π/ω1=2177s .

4)桥墩基本周期动力放大系数　桥墩基本周期动力放大系数β1=2125(T g /T 1)C .

按设防概率50年10%查本工程地震评价取T g =1110,C =11361,代入得β1=01.41212　顺桥向水平地震力计算

上部结构对板式橡胶支座顶面处产生的水平地震力:

　　E ihs =K itp

∑n i =1・K itp C i C z K h β1G sp (7)

结合本工程实际查规范取C i =113,C z =0133,由本工程地震评价查得K h =01206.代入得E ihs =354kN .

墩身自重在板式橡胶支座顶面的水平地震力E ihp =C i C z K h β1G tp =92kN .

支座顶面水平地震力总和E ihs +E ihp =354+92=446kN .

考虑本工程实际,没有计算横桥向地震力.计算顺桥向地震力后与恒载内力组合,进行桩、柱配筋计算,由于篇幅有限,计算过程从略.

5　结　语

实际桥梁抗震设计中不仅要进行地震力计算、结构配筋,还须采用必要的抗震构造与支座等减震、抗震系统.由于地震的复杂性及其不可预测性,现阶段国内外有关抗震设计的内容还有待进一步探索和完善.我们相信通过不断实践与理论相结合,每个桥梁设计者都能在抗震设计时采取有效措施,从而减轻地震给人民、社会带来的危害.97第3期

林宝良:高架桥抗震设计一例

[1]　范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.

[2]　汪祖铭,王崇礼.墩台与基础[M].北京:人民交通出版社,1997.

[3]　王伯惠,徐风云.柔性墩台梁式桥设计[M].北京:人民交通出版社,1994.

Brief I ntroduction of the C alculation of the Anti2E arthquake Bridge

LIN Bao2liang

(Shantou H ighway Survey and Design Institute,Shantou　515000,China)

Abstract:Based on the exam ple of the design of the20m2hollow slab X igang Anti2earthquake Ele2 vated Bridge,calculation methods in bridge anti2earthquake(method of static,response spectrum theories,method of dynamic timing analysis)are analyzed and discussed.The right calculation method in bridge anti2earthquake design is adopted to decrease disastrous cost in earthquake.

K ey w ords:earthquake force theories;method of static;response spectrum theories;method of dynamic timing analysis