文档介绍：第四章桥梁养护维修
第十一节桥梁抗震设计实例
一、南澳大桥抗震设计实例
广东汕头南澳跨海大桥南起南澳岛,北抵澄海县,中间跨越凤屿岛。以凤屿岛为界
分为南桥和北桥。南桥长!"#$%,北桥长&’(’%。主桥位于南桥部分,跨径组合为&#’)
!’$ ) &#’%,是一座预应力混凝土连续刚构桥。
土桥桥面宽&* + ’%,主梁采用单箱单室预应力混凝土箱梁,主墩为钢筋混凝土双薄
壁墩,墩身采用的实体矩形截面。主墩基础为每墩钻孔灌注桩。
! + $ , " + ’% &(!! + $%
(一)动力计算模型
对这样一座大跨度的连续刚构桥,进行地震反应分析时,应建立空间计算模型。梁
和墩的建模比较简单,简单地离散为三维梁单元即可,但要尽可能真实地模拟结构的刚
度和质量分布。但是,由于主墩基础采用的是群桩基础,需要特别处理,以考虑桩—土—
结构的相互作用。在前文中已经提到,目前比较实用的方法是集中质量法和三弹簧法。
多座桥梁的地震反应分析表明,用这两种方法考虑桩—土—结构相互作用时,基础以上
桥梁结构的地震反应差别较小。然而,要得到基础中桩的地震反应,只能采用集中质量
法。
在南澳大桥的抗震设计中,分别建立了两个深度不同的计算模型用于两个设计阶
段,即六弹簧—结构模型用于概念设计,桩—土—结构集中质量模型用于延性设计。
& + 六弹簧—结构模型
这一模型比较简单,用- 个弹簧模拟群桩基础的刚度。而每一弹簧的刚度则按《桥
规》群桩基础验算部分有关公式求得,其中动力计算时各上层的“%”值可取静力值的! .
# 倍。
该模型的梁墩部分参见图* / 0 / "’。
! + 桩—土—结构集中质量模型(见图* / 0 / "’)
这一模型与实际结构最为接近,关键在于如何将桩—土系统离散成质量—弹簧—阻
尼系统。如群桩基础的桩数太多时,可在保证刚度不变的前提下,进行适当的并桩处理,
以减小计算工作量。并桩时,一般保持外圈的桩不变,仅对中间的桩进行适当合并,因为
外圈的桩一般控制设计。对桩—土系统进行离散时,要注意桩侧土的分层方式。除了按
· &&0" ·
土质的不同分层外,还应遵循上密下稀的原则。
图! # $% 桥梁结构动力计算模型
用集中质量法将桩—土系统离散为质量—弹簧—阻尼系统时,采用如下假定:
(&)假定土介质为线弹性的连续介质;
(’)用等代土弹簧杆单元来反映土层的恢复力性质,其刚度用“! ”法计算。“! ”的
定义为:
· · ( )
!() * ! " # ( ! " # " ’!
其中, 是土体对桩的横向抗力, 为土层的深度, 为深度处土的横向变位。
!() " # ( "
等代土弹簧的刚度为:
·
% + & !()
$ + * *
# + # (
( · )·( · · )
’() ! " # ( · · · ( )
* * ’() ! " ! " # " ’,
# (
式中, 为土层的厚度, 为该土层的宽度,常取桩的计算宽度。
’()
等代土弹簧杆单元的截面积为:
!· "· ’· ( · +
* * ) (! " # " ’$)
,
其中,+ 为杆单元长度,通常取& - %.,, 为弹性模量,通常取与桩相同。
(二)地震动输入
国家地震局地球物理研究所承担了“汕头南澳跨海大桥桥址地震安全性评价”的研
究项目,提供了“地震安全性评价报告”。报告中提供了/% 年基准期 012、&%2、12、
& - /2共四个超越概率水准的基岩和场地的设计反应谱、地震动加速度时程。根据该报
告,桥址区基本烈度为! - !,属于强震区。
在南澳大桥的抗震设计中,选用了/% 年&%2 超越概率(3&)和/% 年’2 超越概率
(3’)两个水准的反应谱和地震动加速度时程。需要指出的是,在编的新规范中,要求采
用三个水准的地震动时程,进行三阶段的抗震设计。对应于两个概率水准的反应谱曲线
· %/&& ·
第四章桥梁养护维
参见图! " # " $%,而分别对应于两个概率水准、两个主墩位置的四条地面加速度时程曲
线参见图! " # " $&。
图! " # " $% 反应谱曲线
图! " # " $& 地面加速度时程曲线
· %%’% ·
竖向地震输入反应谱和时程曲线取与水平向相同,但加速度峰值取为水平向的! " #
倍。
(三)抗震概念设计
在地震荷载作用下,连续刚构桥的地震反应取决于其刚度、质量的分布情况。主梁
的惯性力按各柔性墩的刚度分配给各墩承受。如果有多个相同设计的桥墩,则希望各墩
的受力较为均匀,这