摘 要:采用有限元软件Midas/Civil，按照城市桥梁抗震设计规范将地震作用和永久作用进行组合，对具代表性的渝黔复线高速公路连接道工程南泉立交匝道H线桥第五联进行抗震分析。
关键词:南泉立交，E1地震作用，反应谱，强度验算
一、概 述
1.1工程概况
渝黔复线高速公路连接道南泉立交位于主线K0+320～K1+080之间，含10条匝道及对现状内环快速路和长南路（军民路段）进行改造。南泉立交是内环快速与渝黔复线、鹿角中横线连接道、规划道路相交形成的立交，为快速路与快速路、次干路相交节点。立交西连主城，东接渝黔复线高速，南往西彭、北至茶园，是巴南片区鹿角组团重要交通转换节点，定位为枢纽型立交。内环快速为现状，为避免对内环快速的影响，拟建立交匝道均采用桥梁形式上跨内环快速。且立交桥梁布跨均考虑远期内环快速拓宽的需要。
主要桥梁结构包含主线2号桥、匝道B线桥、匝道C线桥、匝道D线桥、匝道E线桥、匝道F线1号桥、匝道F线2号桥、匝道G线桥、匝道H线桥、匝道I线桥、匝道J线桥。
根据《市政公用设施抗灾设防管理规定》（住房和城乡建设部令第1号），抗震设防区位于城市快速路、主干道路、城市轨道交通线路立体交叉线路为3层及3层以上（不计地面道路及地道）的大型互通立交桥梁需要做抗震设防专项论证。
1.2设计技术标准
1)道路等级：城市快速路。
2)设计车速：80km/h。
3)设计车道：主线标准断面双向8车道，其余宽度构成同道路专业设置。
4)设计荷载
汽车荷载： 城—A级，并参照公路—Ⅰ级
人群荷载： 4.0kN/m2
5)桥梁净空： 5.0m
6)设计基准期、设计使用年限及安全等级
根据《城市桥梁设计规范》(CJJ 11－2011)及《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)的相关要求，桥涵主体结构的设计基准期及设计使用年限均为100年；桥梁结构的设计安全等级为一级。
7)风 荷 载：根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)，重庆地区100年一遇的基本风压为ω0=0.45kN/㎡，地面粗糙度为B类。
8)温度荷载：结构整体升降温按＋20℃及－20℃进行计算。日照温差按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）4.3.12条规定的温度场计算。
9)据《中国地震动参数区划图》及《城市桥梁抗震设计规范》，抗震设防烈度为6度，抗震设防措施等级为7级，桥梁抗震设防类别为乙类。
1.3地震效应评价
根据《公路工程抗震规范》(JTG B02-2013)及《中国地震动参数区划图》GB18306-2001，拟建场地设计地震分组为第一组，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g。
根据场地平场后覆盖层厚度以及场地土的等效剪切波速度，拟建场地的场地类别可分为Ⅰ、Ⅱ两类。其中Ⅰ1类场地覆盖层厚度小于3m，或为岩石出露区，其地震动反应谱特征周期为0.25s；Ⅱ类场地覆盖层厚度3.0m～28.0m，土的平均剪切波速161～190m/s，属中软土，其地震动反应谱特征周期为0.35s。根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008），建议本工程抗震设防标准为重点设防。
拟建南泉立交匝道构筑物按设计路面高程施工整平后，将形成高度不等的挖填方边坡，其地震效应评价见表1-1。
表1-1南泉立交工程地震效应评价表
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根据中国地震动峰值加速度区划图（1/400）万GB18306－2015之图A1及中国地震动反应谱特征周期区划图（1/400万）GB18306－2015之图B1，场地的抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，场地设计基本地震动峰值加速度0.05g。
二、计算依据及方法
2.1计算依据
（1）《重庆市主城区快速路系统建设规划》(2006-2020)
（2）《重庆市主城区内外环之间高、快速连接通道优化规划》（2016年4月）
（3）重庆市规划局2017年5月8日《市政工程规划条件函》、《建设项目选址意见书》（选字第市政500113201700032号）
（4）《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）
（5）《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）
（6）《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2001）
（7）《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）
（8）《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）
（9）《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG D63-2007）
（10）《公路桥梁盆式橡胶支座》（JT391-1999）
（11）《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）
2.2计算方法
渝黔复线南泉立交，设防烈度为6度，根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）抗震设计方法，采用大型有限元软件MIDAS进行抗震分析，根据《城市桥梁抗震设计规范》和《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）进行荷载组合，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）和《城市桥梁抗震设计规范》进行验算。
三、抗震设防标准和设防目标
根据《城市桥梁抗震设计规范》3.1.1、3.1.2和3.3.3条，该桥属于乙类桥，抗震设计方法为B类。即在E1地震作用下，要求桥梁在震后能立即使用；结构总体反应在弹性范围，基本无损伤。B类抗震设计方法应进行E1地震作用下的抗震分析和抗震验算，并应满足相关构造和抗震措施要求，因此对于本桥仅进行E1地震作用下的抗震计算。
桥址所在地抗震设防烈度为VI度，场地类型为Ⅱ类，基本地震动加速度峰值为0.05g，根据《城市桥梁抗震设计规范》3.2.2条，E1地震调整系数取0.61，结构阻尼比取0.05，根据《城市桥梁抗震设计规范》5.2.1条，地表5%阻尼比反应谱见式3-1和图2-1，竖向反应谱取水平向0.65倍。抗震设防措施等级为7级。
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图3-1 设计反应谱
四、E1地震作用下抗震性能分析
按照城市桥梁抗震设计规范现主要考虑水平地震作用对桥梁进行E1地震反应谱分析。现将地震作用和永久作用组合，对具代表性的匝道H线桥第五联进行抗震分析。
建模说明
渝黔复线南泉立交为互通型立交，上部均为箱梁，结构复杂，因此应选择具有代表性的桥跨和匝道进行建模分析，根据大桥特点，取匝道匝道H线第五联（2x37）进行计算分析。
匝道H线桥第五联上跨匝道J线桥、匝道F线2号桥和内环高架右线。桥墩高度较高，并且墩高变化幅度较大(26m~37m)。桥墩编号为H11~H13，桥墩形式包括盖梁+空心墩、墩梁固结（空心墩）以及盖梁+实心墩。
桥梁有限元模型中，梁、墩等构件均采用空间梁单元模拟。桥梁动力有限元模型如图4-1所示，全桥共划分为187个单元。
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动力特性分析
表3.2-1中列出了该桥结构的自振频率及相应振型的主要特点，表4-1列出了主桥结构的前10阶振型数据。从表中可以看到，该桥第1阶为纵向振型，周期约0.78s；第2阶为横向振动，周期约为0.72s。
表4-1 匝道H线桥结构动力特性
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分析方法和内容
本桥属于规则桥梁，因此根据《城市桥梁抗震设计规范》6.1.3条，E1地震作用采用多振型反应谱法进行分析，地震动分别按纵向、横向和竖向输入，根据“抗震规范”5.1.2条，地震效应按SRSS组合。
验算桥墩，地震分析结果和恒载组合，荷载组合系数均取1.0。验算支座时计入50%均匀温度荷载效应，温度荷载分别考虑温升20℃和温降20℃。
验算方法和内容
根据各截面配筋情况，对结构各控制截面的抗弯强度和抗剪强度进行验算。
墩柱抗弯强度验算时，按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）进行；墩柱抗剪强度验算时，考虑到现行公路桥规中没有专门针对偏心受压或偏心受拉构件的抗剪验算规定，因此，抗剪验算参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）相关规定进行。验算时，混凝土和钢筋强度均取设计强度。
验算内力采用包络值，地震响应以轴力受压为正，受拉为负，弯矩和剪力取绝对值。
验算截面和配筋
验算关键截面，对于桥墩取墩底和墩顶截面。截面初拟配筋见表4-2
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分析结果和验算
E1地震作用下，墩柱处于弹性范围，根据《城市桥梁抗震设计规范》第7.3.1条规定，顺桥向和横桥向E1地震作用效应和永久作用效应组合后，应验算桥墩的强度。采用Midas Civil软件中的RC抗震设计，对各个墩柱进行强度验算，均满足设计要求。结果如下表：
表4-3 E1地震作用下桥墩主要截面强度验算表
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由上表可以看出，在E1地震作用下，按照设计的桥墩钢筋构造图，所有桥墩强度均满足要求。
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五、结论
本报告针对南泉立交初步设计方案，根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）的抗震设计方法进行抗震分析，得到以下主要结论：
（1）该抗震设防烈度为VI度，地震动基本加速度峰值为0.05g，在E1地震作用下，要求桥梁在震后能立即使用；结构总体反应在弹性范围，基本无损伤。
（2）在E1地震作用下，桥墩抗弯和抗剪均在承载能力范围之内，桥墩主要截面强度满足要求。
（3）在E1地震作用下，支座顺桥向变形和横桥向变形均在支座变形能力范围之内，不会发生落梁破坏。
综上所述，本桥抗震设计满足规范要求。