高地震区高速公路无伸缩缝半整体式桥梁的抗震研究

摘要： 通过对云南安晋高速公路上一座无伸缩缝桥梁进行抗震研究，提出了无缝桥梁的动力建模方法，并对该桥无缝及有无缝两种情况进行抗震计算，得出结论，无缝桥梁较利于抗震。

Abstract： Through the research on seismic research of a bridge without expansion joint of Yunnan Anjin highway， the paper puts forward the dynamic modeling method of seamless bridge， and calculates the aseismicity when there are seams and when there are no seams， and gets the conclusion that the seamless bridge is helpful for the earthquake resistance.

关键词： 高地震区；无伸缩缝；桥梁；抗震研究

Key words： upland earthquake；no expansion joints；bridge；seismic research

中图分类号：U41 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）08-0059-04

0 引言

云南是我国西南边疆，高原、山区面积占94%，交通运输以陆地交通为主，特别是公路交通占主要部分。改革开放以来，云南的交通业得到了快速发展，特别是进入90年代以后，几条国道干线及与周边国家的国际通道骨架干线高速公路已建和在建。由于地形、地质原因，云南公路中的桥梁数量占有相当大比例，而我省是一个地震多发、地震烈度较高的省份，2008年四川汶川地震及1995年日本阪神地震，对桥梁工程的破坏，就足以证明地震力对桥梁工程的危害，因此桥梁抗震技术的研究在我省有着十分重要的意义。

无缝桥梁由于全桥取消了伸缩缝，不仅改善了行车条件，减少了伸缩缝装置运营期间的维修成本，且由于无缝桥梁的整体性好，增加了梁端超静定约束，地震时具备良好的变形和消耗地震能量的能力，因而具有良好的抗震性能，且还能避免地震时落梁情况。

发展至今，无缝桥梁大致分为整体式和半整体式两大类型，如图1。本文主要针对半整体式桥梁抗震性能作分析计算（半整体式无缝桥是一种上部结构与下部结构没有完全刚性连接的一种桥梁结构，上下部之间与普通桥梁一样，设置支座），而本文所采用的半整体式桥梁设计技术是引进加拿大NDLEA公司的无伸缩缝半整体式桥梁技术。

云南省安宁至晋宁高速公路中侵长1号桥（K0+936）11×30米T形连续梁桥及小海口桥（K5+995）8×20米简支空心板桥，设计均采用了无伸缩缝半整体式桥梁技术，本文主要针对小海口桥梁抗震性能进行研究分析。

1 工程实例

小海口桥位于安宁～晋宁高速公路2合同小海口段，中心桩号K5+995，桥梁全长168.92米，起止里程K5+912.04～K6+077.96。原设计为4×20+4×20米简支空心板，下部采用三柱式墩及钻孔灌注桩基础、埋置式桥台，全桥在两岸桥台处及4号墩顶各设置一道伸缩缝，共三道伸缩缝（单幅）。

后该桥采用加拿大半整体式无缝桥梁技术，对两岸桥台进行了局部修改设计，取消了所有伸缩缝，桥型布置图如图2示。

根据加拿大半整体式无缝桥梁技术，对主梁端部和桥台做局部修改设计，桥台台后构造如图3。

本桥路基宽度33.5m，上部构造如图4所示，主梁横向：由15片20m跨径标准预制空心板组成，单幅桥宽16.25m，材料为C50混凝土；主梁纵向采用先简支、后桥面连续，全桥长8×20m，全桥无伸缩缝。现浇层为10cm厚C50混凝土；铺装层为10cm厚沥青混凝土。护墙和护栏采用C25混凝土浇注。

下部结构采用三柱式桥墩。桥墩直径统一为1.4m，盖梁和桥墩采用C30混凝土浇注；桩基采用单排钻孔灌注桩，桥台及1#墩处按摩擦桩设计，2#～7#墩处按嵌岩桩（嵌岩深度不小于5米）设计，直径统一为1.5m，采用C25混凝土浇注。桩柱式桥墩详细尺寸如图5所示。

桥位处工程地质为上覆褐红、褐黄色，硬塑亚粘土，下伏紫红色泥岩，及褐红、褐黄、灰黄色泥质粉砂岩夹砂岩，全风化，灰绿、灰黄色泥质粉砂岩，强～弱风化。

2 抗震性能分析：

2.1 建模说明 本项工程设计时间2005～2006年，项目于2008年正式开工，2011年1月建成通车，抗震设计中主要采用《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89）抗震设计方法，利用大型有限元软件MIDAS针对有缝和无缝桥的特点建立两种类型桥梁的动力计算模型，并进行抗震分析，将计算结果经行比较分析，最后根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）和《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89）进行验算。

根据《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89）和《中国地震动参数区划图（GB18306 -2001）》，桥址所在地抗震设防烈度为Ⅷ度，地震动峰值加速度为0.2g，场地类型为Ⅱ类，水平地震系数取0.2，重要性系数取1.7，综合影响系数取0.33，结构阻尼比取0.05。地表5%阻尼比反应谱见图6。

桥梁为双幅桥，上部均为空心板，因此取墩高较高的右幅桥进行建模分析。大桥有限元模型中，梁、墩和盖梁等构件均采用空间梁单元模拟，其中主梁采用梁格模型。

桥梁桩基通过在桩基础相应位置处设置纵、横桥向土弹簧的方法，来考虑桩土相互作用的影响，模型中仅考虑土弹簧刚度，忽略阻尼和质量特性的影响，土弹簧采用MIDAS中的“弹性连接”进行模拟，弹簧刚度根据土层的m值进行计算，计算出各桩基础的纵向和横向土弹簧刚度。

普通板式橡胶支座（GYZ）根据《JT/T 4-2004公路桥梁板式橡胶支座》和“抗震规范”分别计算出水平向和竖向刚度，对于四氟滑板式橡胶支座（GYZF4）只考虑竖向刚度，不考虑水平向刚度。

无伸缩缝桥梁考虑板端横梁―土相互作用：

板端横梁在计算分析中考虑同土的相互作用，采用集中土弹簧模拟，集中土弹簧的刚度可采用表征土介质弹性值的m参数来计算。

根据《公路桥涵地基与基础设计规范》 （JTG D63-2007）地基系数C与深度成正比，即C=mZ。式中m表示为土弹簧位置处非岩石地基水平向抗力系数的比例系数，在无实测资料时可根据《公路桥涵地基与基础设计规范》 （JTG D63-2007）取；Z表示深度。

模型中板端横梁-土作用计算图示见图7，可求得横梁顶部C0=0；横梁底部Ch=C=mh，h表示横梁高度。式中，a 为土层厚度，取板端横梁高度；b为该层的宽度，取板端横梁对应的梁宽度。

板端横梁水平向集中土弹簧刚度Kz为：

Kz=a×b×（C0+Ch）/2

大桥动力有限元模型如图8所示，全桥共划分为4119个单元。模拟桩土作用的弹性连接288个，模拟支座弹性连接共237个，模拟板端横梁土作用的弹性边界30个。

2.2 动力特性分析 表1中列出了有伸缩缝和无伸缩缝桥前20阶自振频率及振型的主要特点。

从表中可以看到，有伸缩缝桥第1阶为纵向振型，周期约1.517s；第2阶为横向振动，周期约为0.828s；第4阶为横向对称振动，周期约为0.472s。而无伸缩缝桥第1阶为横向振型，周期为0.824s，对应有伸缩缝桥的第1阶；第2阶也是横向振动，周期约为0.726s，对应有伸缩缝桥的第2阶；第3阶才出现全桥纵向振动，周期约为0.721s，比有伸缩缝桥的周期少约0.8s，可见无伸缩缝桥由于板端横梁-土作用，刚度增大，使得大桥纵向刚度增加，有利于减小大桥的纵向变形。在第4阶以后，两种桥型的振型基本一致。

3 抗震性能评价

3.1 分析内容和方法 采用反应谱法进行地震反应分析，地震动输入分别按纵向和横向输入，地震分析结果和恒载组合，荷载组合系数均取1.0。

3.2 计算结果及结果分析 表2列出了纵向地震作用下大桥最不利桥墩和桩基的内力和结构最大变形，可见，无伸缩缝桥的桥墩剪力和弯矩均小于有伸缩缝桥，只有后者的一半左右，由于无伸缩缝桥两侧板端横梁-土的作用有效减小了桥墩受力。主梁纵位移和墩底位移同样减小了一半，支座最大变形减小了60%。此外，由于结构刚度增加，墩桩轴力变大，但轴力增幅的绝对值很小，约12kN，因此总体看来，无伸缩缝桥对抗震是有利的。

表3列出了横向地震作用下大桥最不利桥墩和桩基的内力和结构最大变形，可见，无伸缩缝桥的桥墩剪力和弯矩和变形与有伸缩缝桥基本一致，板端横梁-土的作用对大桥整体横向受力影响较小。

3.4 下部结构验算 根据计算结果和桥墩等截面的配筋情况，按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）和《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004-89）要求进行对结构各关键截面进行强度验算。

验算内力采用包络值，地震响应以轴力受拉为正，受压为负，弯矩和剪力取绝对值。

验算关键截面，对于桥墩取墩底和墩顶截面，桩基截面根据取桩顶至桩顶以下5～6m的最不利截面。结构验算材料参数见表4，材料强度均取设计值。

纵向地震作用下，桥墩和桩基最不利截面验算结果见表5，桥墩最小安全系数为2.78，桩基最小安全系数为3.13；横向地震作用下，桥墩和桩基最不利截面验算结果见表6，桥墩最小安全系数为2.22，桩基最小安全系数为3.39。可见，桥墩和桩基均满足抗震设计。

4 结论

根据以上对K5+995加式半整体式无缝桥梁进行抗震性能研究，得到的结论如下：

①针对半整体式无缝桥梁的特点，给出了大桥的动力有限元模型建模方法。主要有：上部结构应采用梁格法，板端横梁土模型宜采用“m”法模拟等。

②通过动力特性分析发现，可见无伸缩缝桥由于板端横梁-土作用，全桥纵向刚度增大，全桥纵向振动模态周期变短，有利于减小大桥的纵向变形和支座变形，对于其他方向的影响较小。

③在纵向地震作用下，由于板端横梁-土的作用有效减小了桥墩受力，半整体式无缝桥梁桥墩剪力和弯矩均小于有缝桥梁，且只有后者的一半左右。主梁纵位移和墩底位移同样减小了一半，支座最大变形减小了60%。虽然墩桩轴力变大，但轴力增幅的绝对值很小，约12kN，总体看来，半整体式无缝桥梁对抗震是有利的。

④在横向地震作用下，无缝桥梁受力和变形与有缝桥梁基本一致，板端横梁-土的作用对大桥整体横向受力影响较小。

⑤通过结构验算，桥梁墩柱、桩强度满足抗震设计需求。

参考文献：

[1]The State of the Art of Precast/Prestressed Integral Bridges

PRECAST/PRESTRESSED CONCRETE INSTITUTE Publication Number IB-01 Copyright 2001.

[2]Semi-Integral Abutment Bridges The Queen's Printer for Ontario，1999. Reproduced with permission.

[3]彭大文，汪新惠.无伸缩缝桥梁的地震响应研究.上海应用技术学院学报，第4卷第3期2004年9期.

[4]金晓勤，邵旭东.中国无缝桥梁技术的改进与创新[A].第十八届全国桥梁学术会议论文集（上册）.2008-05-01.

[5]公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）人民交通出版社 2004.

[6]公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG D62

-2004）人民交通出版社，2004.

[7]公路桥涵地基与基础设计规范（JTG D63-2007），人民交通出版社，2007.

[8]公路工程抗震设计规范（JTJ 004-89）.人民交通出版社 1999.