大跨連續(xù)剛構橋抗震性能分析

陳付雷，郭永平，張亞軍

（1.廣東羅陽高速公路有限公司,廣東 廣州 510100；2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司 寧夏分公司,寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學 土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021）

大跨連續(xù)剛構橋抗震性能分析

陳付雷1，郭永平2，張亞軍,3

（1.廣東羅陽高速公路有限公司,廣東 廣州 510100；2.中交公路規(guī)劃設計院有限公司 寧夏分公司,寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學 土木與水利工程學院,寧夏 銀川 750021）

現(xiàn)以一座連續(xù)剛構橋為背景,建立空間有限元模型,采用反應譜法和時程分析法對其地震響應進行分析,并對該橋的抗震性能進行了驗算。其計算方法和結果可為同類橋型提供有益借鑒。

連續(xù)剛構橋；反應譜分析；時程分析；抗震性能

0 引言

隨著我國公路基礎交通設施的建設,大量公路橋梁在藏東南、滇西北等地震高烈度地區(qū)修建。由于地形復雜、山高坡陡,結構受力合理,跨越能力大的高墩大跨連續(xù)剛構橋成為山區(qū)橋梁主要形式之一[1]。山區(qū)多跨連續(xù)剛構橋大多跨越溝谷,同一聯(lián)橋墩墩高差別較大,具有不同抗推剛度,在地震時各墩受力情況較為復雜[2]。

現(xiàn)以一座山區(qū)連續(xù)剛構橋為例,對其結構動力特性進行分析,采用反應譜法和時程分析法對其地震響應進行分析,并進行了抗震性能驗算。本文的計算思路、方法可為類似橋梁的抗震設計計算提供參考和借鑒。

1 橋梁概況

該橋上部結構采用變截面預應力連續(xù)梁（見圖1）,主橋跨徑為（60+110+60）m,單箱單室截面,橋?qū)?2.50 m,箱底寬6.5 m,兩側懸臂長3.0 m,全寬12.5 m。箱梁底板水平,頂面設置2%橫坡,通過梁腹板高度調(diào)節(jié),腹板保持鉛直?？缰辛焊?.8 m,中支點處梁高6.5 m,梁高按1.8次變化。。主墩采用組合式空心薄壁墩,最大墩高91 m,過渡墩采用等截面空心墩,基礎采用樁基礎。

圖1 總體布置圖

2 有限元模型的建立及動力特性分析

2.1 有限元模型的建立

依據(jù)設計圖紙,采用Midas Civil有限元程序,建立三維有限元動力計算模型進行抗震性能分析,計算模型以縱橋向為X軸,橫橋向為Y軸,豎橋向為Z軸。主梁、橋墩均采用空間梁單元模擬,樁土相互作用采用承臺底設置6個自由度的彈簧模擬。此外,在過渡墩處施加引橋恒載以考慮鄰連結構的影響。動力計算有限元模型見圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 動力特性分析

振型分析采用子空間迭代法,該橋的前五階頻率、周期及振型列于表1。

該橋的前五階振型主要以全橋橫向振動為主,表明該橋橫橋向剛度較縱橋向弱。結構縱向振動出現(xiàn)較晚,處于地震動反應譜的中短周期,地震時結構縱向需承擔較大的地震力。

表 1前5階振型振動特性一覽表

3 地震動輸入及地震響應分析

3.1 地震動反應譜

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[3],水平向設計基本地震加速度峰值為0.3 g,場地類別為II類,設計特征周期為0.45 s,結合《公路橋梁抗震設計細則》[4]的要求,該橋抗震設防類別為B類橋梁,對應E1和E2地震水平反應譜超越概率分別為50 a超越概率63%（重現(xiàn)期100 a）和50 a超越概率2.5%（重現(xiàn)期約2 000 a）。豎向設計加速度反應譜由水平向設計地震動加速度反應譜乘以豎向/水平向譜比函數(shù)R。該橋橋址為基巖場地,R=0.65。

3.2 地震動時程

時程分析的結果依賴于地震動輸入,如地震動輸入選擇不好,則可能導致結果偏小。在對橋梁進行E2地震作用（重現(xiàn)期2 000 a）的時程分析時,依據(jù)08細則、歐洲規(guī)范和美國AASHTO規(guī)范的規(guī)定,采用與設計反應譜匹配的地震動輸入時程,采用3組地震波參與設計時取反應的最大值驗算,采用7組地震波參與設計時取反應的平均值驗算。在該橋計算中,選取了與E2地震動匹配的3條地震波,其中2條為人工合成波,1條為從美國太平洋地震中心強震數(shù)據(jù)庫中（PEER）選取的實際地震波。3條地震波與設計反應譜的匹配關系如圖3所示。由圖3可知,三條地震波與規(guī)范反應譜在短周期和中長周期都有較好的匹配,可反映規(guī)范設計譜的頻譜特性。E1地震作用下的地震動輸入可通過E2地震動調(diào)幅獲得。

圖3 E2水平向設計譜及地震波匹配關系曲線圖

3.3 地震響應分析

E1和E2地震作用下的結構地震響應分析分別采用反應譜法和時程分析法,鑒于篇幅,表3僅列出了反應譜分析法計算得到的E1地震作用下墩底截面的地震響應。

由于墩高較大,各墩縱橫向地震反應總體較大,橫向地震響應略大于縱向?？v橋向地震響應發(fā)生在主墩中相對較低的橋墩（3號墩）,而橫橋向最大地震響應發(fā)生在最高墩。

4 抗震性能分析

4.1 分析方法

依據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》性能要求與抗震驗算中采用的抗震驗算方法,首先將橋墩截面劃分為纖維單元,采用實際的鋼筋和混凝土應力-應變關系分別模擬鋼筋和混凝土單元,然后采用數(shù)值積分法進行截面彎矩-曲率分析,得到圖4所示的截面彎矩-曲率曲線。圖中My為截面最外層鋼筋首次屈服對應的初始屈服彎矩；Meq為根據(jù)M-φ曲線利用“等能量法”求得的截面等效抗彎屈服彎矩。

表 2 E1地震作用下墩底截面的地震響應一覽表

圖4 彎矩-曲率曲線圖

4.2 驗算思路

該橋按規(guī)范設防分類為B類橋梁,需滿足“小震不壞、大震不倒”的抗震設防目標。由于該橋橋墩較高,為滿足橋墩穩(wěn)定性的要求,截面尺寸設計較為保守。為了解橋梁結構實際具有的抗震性能,驗算時擬先對高一級的地震動水準進行驗算,看是否滿足對應承載能力。

如驗算時首先假定結構在中震作用下（E1重現(xiàn)期475 a）結構保持為彈性狀態(tài),對其進行結構計算和驗算,若結構抗震性能滿足“中震不壞”,則自動滿足該橋“小震不壞”的抗震設防目標；假定結構在大震作用下（E2重現(xiàn)期2000 a）整體保持在彈性或有限塑性狀態(tài),對其進行結構計算和驗算,若結構抗震性能滿足“大震可修”,則自動滿足該橋“大震不倒”的抗震設防目標。具體設防水準對應的抗震性能驗算指標如下:

（1）在E1地震作用下（重現(xiàn)期約475 a）,橋墩截面和樁基截面要求其在地震作用下的截面保持彈性,截面彎矩應小于截面初始屈服彎矩My。

（2）在E2地震作用下（重現(xiàn)期約2 000 a）,橋墩截面和樁基截面要求其在地震作用下結構整體反應還在彈性范圍,截面彎矩應小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq。

4.3 抗彎能力驗算

采用美國伯克利大學開發(fā)的截面分析程序XTRACT進行截面劃分及截面彎矩-曲率關系計算。驗算時,橋墩截面設計荷載采用恒載+地震荷載作用下的最不利內(nèi)力組合效應（取三條時程波中的最大值）。表3和表4分別為恒載+E1地震和恒載+E2地震作用下,橋墩截面在縱橋向和橫橋向的驗算結果。由驗算結果可知,在E1、E2計算工況下,各控制截面能力需求比均大于1,但過渡墩和主墩單肢墩墩底截面能力需求比略大于1,是整個結構的薄弱截面?？傮w來看,算例橋梁具有“中震不壞、大震可修”的抗震性能,高于設計規(guī)范[4]對B類橋梁“中震不壞、大震可修”的抗震設防要求。

表3 E1地震作用下橋墩關鍵截面內(nèi)力驗算結果一覽表

表4 E2地震作用下橋墩關鍵截面內(nèi)力驗算結果一覽表

由于不等高墩橋梁在恒載作用下各墩墩底軸力具有差異,其對應抗震性能驗算的能力需求比通常也存在差異,因此在對其進行抗震設計時,應綜合考慮結構受力、墩高差異,對各橋墩的截面形式和截面尺寸進行設計,盡量使不同橋墩具有較為接近的能力需求比,以節(jié)省工程造價。

5 結論

（1）大跨連續(xù)剛構橋的過渡墩及主墩組合截面中的單肢截面是結構抗震性能中的薄弱環(huán)節(jié),抗震設計時應進行仔細核查。

（2）高墩連續(xù)剛構橋為滿足橋墩穩(wěn)定性要求,通常采用較大的設計截面尺寸。為掌握結構實際的抗震性,應對不同水準下的結構抗震性能進行驗算。

[1]王常峰,陳興沖,夏修身.高墩大跨連續(xù)剛構橋抗震設計參數(shù)優(yōu)化[J].公路交通科技,2006,23（4）:80-83.

[2]周勇軍,賀栓海,張崗,等.橋墩截面形式對彎連續(xù)剛構橋地震響應的影響[J].公路交通科技,2009,26（2）:68-72.

[3]GB18306-2001,中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖[S].

[4]JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設計細則[S].

U442.5+5

B

1009-7716（2017）07-0070-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.021

2017-03-24

陳付雷（1985-）,男,山東濟寧人,工程師,從事高速公路建設管理工作。