拱形連續(xù)梁橋抗震性能分析

蔣垠蘢

（上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民審美水平的提高，人們不但關(guān)注橋梁建筑質(zhì)量問(wèn)題，并日益關(guān)注橋梁景觀的景觀設(shè)計(jì)，尤其是城市橋梁，其景觀設(shè)計(jì)對(duì)城市的發(fā)展和文化傳遞有著重要的意義。該項(xiàng)目地處古代風(fēng)景名勝景區(qū)周邊，為了與周遭景觀協(xié)調(diào)一致，體現(xiàn)古樸典雅的氣質(zhì)，擬采用拱形結(jié)構(gòu)橋梁，然而由于橋址地質(zhì)條件較差，拱橋推力無(wú)法平衡，最終選用了拱形連續(xù)梁橋的設(shè)計(jì)方案。拱形連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量較常規(guī)結(jié)構(gòu)大，且部分橋墩較高，質(zhì)量分布具有“頭重腳輕”的現(xiàn)象，不利于抗震設(shè)防，在地震下具有較大的破壞風(fēng)險(xiǎn)。因此需對(duì)其進(jìn)行抗震計(jì)算分析。

本文以一座拱形連續(xù)梁橋?yàn)槔?，?duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，采用反應(yīng)譜法計(jì)算其地震響應(yīng)，并進(jìn)行了抗震性能驗(yàn)算。本文的計(jì)算思路、方法可為類(lèi)似橋梁的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考和借鑒。

1 橋梁概況

該項(xiàng)目為預(yù)應(yīng)力混凝土拱形箱梁，采用單箱四室直腹板截面形式，梁高1.6～6.0 m，箱梁高度由跨中向兩側(cè)按二次拋物線變化。橋墩為實(shí)體式橋墩、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，橋墩橫橋向尺寸為19 m，縱橋向尺寸為3 m，橋墩內(nèi)部鏤空，在對(duì)應(yīng)支座位置處設(shè)置隔墻。樁基采用直徑1.2 m或1.5 m的鉆孔灌注樁。具體布置如圖1所示。

2 有限元模型的建立及動(dòng)力特性分析

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，采用MIDAS/Civil有限元程序建立三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型進(jìn)行抗震性能分析。計(jì)算模型以縱橋向?yàn)閄軸、橫橋向?yàn)閅軸、豎橋向?yàn)閆軸。采用多振型反應(yīng)譜法分析時(shí)，主梁、橋墩均采用空間梁?jiǎn)卧M。計(jì)算時(shí)考慮樁土的共同作用，樁土的共同作用可用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度可采用表征土介質(zhì)彈性值的m參數(shù)來(lái)計(jì)算。動(dòng)力計(jì)算有限元模型如圖2所示。

2.2 動(dòng)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(dòng)為主，表明該橋橫橋向剛度較縱橋向弱。結(jié)構(gòu)縱向振動(dòng)出現(xiàn)較晚。處于地震動(dòng)反應(yīng)譜的中短周期，地震時(shí)結(jié)構(gòu)縱向需承擔(dān)較大的地震力。

3 地震動(dòng)輸入及地震響應(yīng)分析

3.1 地震動(dòng)反應(yīng)譜

根據(jù)《中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖》，該項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第二組。建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，特征周期為0.40 s，建筑抗震地段為一般地段；場(chǎng)地不存在飽和砂土和飽和粉土，不考慮液化影響。根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 166—2011）規(guī)定，該項(xiàng)目抗震設(shè)防分類(lèi)為丁類(lèi)，抗震設(shè)計(jì)方法為B類(lèi)。場(chǎng)地土類(lèi)型為中硬場(chǎng)地土，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。

圖1 橋梁立面圖（單位：mm）

圖2 MIDAS抗震計(jì)算模型

表1 橋梁振型振動(dòng)特性

E1地震作用反應(yīng)譜曲線如圖3所示。反應(yīng)譜函數(shù)參數(shù)取值見(jiàn)表2。

圖3 E1地震作用對(duì)應(yīng)的水平向加速度反應(yīng)譜

3.2 地震響應(yīng)分析

E1地震作用下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析采用反應(yīng)譜法。計(jì)算分析橋梁為三跨35 m拱形連續(xù)梁橋，經(jīng)地震響應(yīng)分析可知，橋墩墩底截面彎矩較大，故后續(xù)分析中將其墩底截面作為分析關(guān)鍵截面。

E1縱向地震作用和E1橫向地震作用下的結(jié)構(gòu)地震彎矩響應(yīng)分布如圖4、圖5所示。鑒于篇幅，軸力及剪力內(nèi)力響應(yīng)圖未列出。

圖4 E1縱向地震作用下立柱內(nèi)力圖

圖5 E1橫向地震作用下立柱內(nèi)力圖

E1地震作用下，橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力值分別見(jiàn)表3和表4。需要說(shuō)明的是，列表中軸力壓為正、拉為負(fù)。

表3 E1縱向地震作用下立柱底端截面內(nèi)力

表4 E1橫向地震作用下立柱底端截面內(nèi)力

4 抗震性能分析

4.1 橋墩抗彎能力計(jì)算

橋墩截面為矩形鏤空截面，截面外輪廓尺寸為19 m×3 m，依據(jù)靜力計(jì)算及最小配筋率要求，其配筋情況為：主筋為兩層直徑25 mm鋼筋，間距為15 cm；凈保護(hù)層厚度為4 cm；箍筋直徑為16 mm，間距為15 cm。橋墩立柱底截面配筋如圖6所示。

圖6 橋墩立柱底截面配筋圖（單位：mm）

采用MIDAS/Civil有限元程序計(jì)算橋墩立柱底截面屈服彎矩，橋墩立柱底截面縱橋向M-φ曲線數(shù)值分析結(jié)果如圖7所示。

圖7 縱橋向M-φ曲線數(shù)值分析結(jié)果

4.2 橋墩抗震分析結(jié)果

表5列出了恒載+E1地震作用下的橋墩關(guān)鍵截面抗震性能驗(yàn)算結(jié)果。驗(yàn)算結(jié)果表明，橋墩截面仍保持為彈性，且具有較大冗余度。

表5 立柱底截面驗(yàn)算結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

建立了空間動(dòng)力計(jì)算有限元模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，然后采用反應(yīng)譜分析法對(duì)E1地震作用下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)進(jìn)行了分析，并對(duì)其抗震性能進(jìn)行了驗(yàn)算，得到以下結(jié)論：

（1）在E1地震作用下，橋墩關(guān)鍵截面仍處于彈性狀態(tài)。結(jié)構(gòu)抗震性能總體遠(yuǎn)高于丁類(lèi)橋梁“立即使用”的震后使用要求和“結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無(wú)損傷”的震后損傷狀態(tài)要求。

（2）拱形連續(xù)梁橋截面尺寸擬定合理，抗震設(shè)防措施得當(dāng)，也具有較強(qiáng)的抗震能力。