大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋動力特性及抗震性能分析

李志聰

（河北省交通規劃設計院，河北 石家莊 050011）

大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋動力特性及抗震性能分析

李志聰

（河北省交通規劃設計院，河北 石家莊 050011）

波形鋼腹板PC組合箱梁橋具有自重輕、預應力效率高、施工周期短、造型美觀等諸多優點，同時其獨特的結構形式使結構各組成部分受力明確，其應用范圍正逐步向變截面大跨度梁橋擴展，在我國擁有較好的發展前景。

波形鋼腹板；箱梁橋；動力特性；抗震性能

波形鋼腹板PC組合箱梁橋是20世紀80年代早期出現的一種新型組合結構橋梁，具有自重輕、預應力效率高、施工周期短、造型美觀等諸多優點；同時，其獨特的結構形式使結構各組成部分受力明確。波形鋼腹板PC組合箱梁橋在法國、日本等國家得到了較廣泛的研究和應用，目前波形鋼腹板PC組合箱梁橋在我國同樣展現出蓬勃的發展前景，其應用范圍正逐步向變截面大跨度梁橋擴展，結構更加復雜。本文將以邢衡高速南水北調大橋為例，研究大跨徑波形鋼腹板鋼腹板PC組合箱梁橋動力特性及抗震性能。

1 工程概述

本橋位于邢臺至衡水高速公路邢臺段上，全長260m，跨徑組合為（70+120+70）m，橋梁跨越南水北調渠，橋軸線與南水北調渠呈90°。上部結構為（70+120+70）m的波形鋼腹板預應力混凝土變截面連續箱橋，單幅橋箱梁寬度為14.012m，箱梁底板寬度為7.5m。梁高和底板厚度均以2次拋物線的形式由跨中向根部變化，跨中梁高為3.5m，底板厚度為28cm，根部梁高為7.5m，底板厚為80cm。箱梁翼緣懸臂為325.6cm，懸臂端厚度為20cm，懸臂端根部厚度為70cm。下部結構主墩采用矩形實體墩，橫橋向寬度為7.5m，順橋向寬度為4.0m，承臺平面尺寸為12m（橫橋向）×12m（順橋向），厚度為3.0m，承臺下設置3×3共9根直徑為1.8m的群樁基礎；橋臺采用肋板臺，樁基礎。

邢衡高速南水北調大橋的橋型布置如圖1所示。

2 動力特性分析

2.1 結構建模

對結構建立正確的模型，是進行結構分析的首要步驟，模型是否完整和控制參數是否正確直接影響到計算結果和數據的輸出。所以，在本文中針對大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋運用橋梁有限元計算軟件建立全橋的動力模型。計算采用MIDAS CIVIL計算程序，用空間三維梁單元離散橋梁結構的主梁、橋墩、承臺、樁基礎，用土彈簧模擬樁土相互作用。橋梁動力計算模型見圖2。

2.2 抗震模型中的特征參數

抗震模型中的特征參數包括如下幾個方面：

a）模型中梁體和墩柱采用空間桿系單元模擬，單元質量采用集中質量代表；

b）抗震設防類別B類，抗震重要系數為0.5（E1）和1.7（E2），抗震設防烈度7度，設計基本地震動加速度0.10g；

c）根據土層平均剪切波速，場地類別為Ⅳ類，特征周期0.4s；

d）阻尼比系數取0.05s；

e）使用LANCZOS迭代方法進行特征值分析。

2.3 動力特性分析結果

對于橋梁抗震性能的分析最基礎最直接的方法就是對橋梁的動力特性進行分析，從已建好的模型運行分析結果中提取出主要數據進行分析，以了解結構在不同條件下的動力特性。由有限元軟件計算可得到該大跨徑波形鋼腹板PC組合箱梁橋的前5階振型的頻率和周期（見表1）。

由表1可以看出，橋梁基本自振頻率為0.91HZ，基本周期為1.10s，基本振型為主梁豎向正對稱彎曲振動。橋梁結構典型振型圖見圖3、圖4。

3 地震作用分析

3.1 減隔振設計

目前抗震設計有延性設計和減隔振設計兩個設計思路，同時為保證橋梁結構的經濟性和抗震的安全性，一般采用延性設計，即允許橋梁結構在強震下進行塑性工作狀態，在預期的部位（通常選擇在墩頂和墩底）出現塑性鉸以耗散能量，但不允許出現剪切破壞。本橋下部結構的墩柱很矮，僅1.6m。按照新的《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02—01—2008）第7.3.2條，對于計算長度與矩形截面計算方向的尺寸之比小于2.5（或計算長度與圓形截面直徑之比小于2.5）的矮墩，順橋向和橫橋向E2地震作用效應和 永久作用組合后，應按現行的公路橋涵設計規范相關規定驗算橋墩的強度。本橋在概念設計階段采用反應譜方法，對本橋的抗震性能作出初步評價，確定采用減隔振設計。目前國內外常用的減隔振裝置有高阻尼橡膠支座、鉛芯橡膠支座、粘滯阻尼器、金屬阻尼器和摩擦擺式支座。經過使用性能、經濟性比選，最終選用JZPZ型摩擦擺錘式盆式橡膠減震支座。

3.2 摩擦擺錘式減震支座結構和參數

摩擦擺隔震裝置在1985年由美國的Zayas等人提出，同年摩擦擺支座（FPB）由美國EPS公司發明。摩擦擺支座隔震消能原理是利用滑動面的設計延長結構的振動周期，以大幅度減少結構因地震作用而引起的放大效應，通過支座的滑動面與滑塊之間的滑動來達到消耗地震能量（見圖5）。此外，其特有的圓弧滑動面具有自動復位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢復原位。摩擦擺支座造價低、施工簡單、承載能力高，除了具有一般平面滑動隔震系統的特點外，還具有良好的穩定性、復位功能和抗平扭能力。

摩擦擺支座主要包括用限滑動螺栓、不銹鋼材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑塊以及用來與上部結構相連的蓋板，其構造如圖6所示。摩擦擺支座通過球形滑動表面的運動使上部結構發生單擺運動，隔震系統的周期和剛度通過選取合適的滑動表面曲率半徑來控制，阻尼由動摩擦系數來控制。限滑動螺栓剪斷前，摩擦擺隔震支座不發生滑動，在其支撐下的隔震橋梁結構與普通橋梁結構相同；當地震將限滑動螺栓剪斷后時，摩擦擺隔震支座發生位移。地震中摩擦擺支座的恢復力模型可簡化成圖7所示的雙線性滯回模型。

在圖7中，μ為動摩擦系數；W為豎向荷載；Ki為初始剛度，Ki=μW/Dy；Kfps為摩擦擺支座的擺動剛度，Kfps=W/R；R為曲率半徑，按式（1）計算；Dy為屈服位移；Dd為極限位移。

式中，T為摩擦擺系統的隔震周期。

3.3 計算使用的地震波

根據《公路橋梁抗震設計細則》要求，設計基本地震動加速度為0.10g，場地特征周期為Ⅳ類，重要性系數C1=1.7，場地系數Cs=1.4。計算采用5條人工地震動及強震記錄波形。地震波形見圖8～圖12。

3.4 分析結果

經計算，確定摩擦擺支座的曲率半徑R=1.0m，結構的隔震周期T=2.0s，約為隔震前結構周期（0.64s）的3倍。采用此減隔震方案，摩擦擺支座的順橋向最大水平滑動位移為95mm，相應的豎向位移為4.5mm；橫橋向最大水平滑動位移為40mm，相應的豎向位移為1mm。墩底剪力和彎矩是采用普通支座情況下的20%～40%，有很好的減隔振效果。

4 結語

本橋按《公路橋梁抗震設計細則》進行了抗震設計，采用摩擦擺式支座進行減隔振設計，該方案經過有限元軟件分析計算具有很好的減隔振效果，地震作用下，通過動能轉化成勢能來吸收大部分地震能量，將上部結構傳遞至橋墩的地震力減至最小，有效的保證了橋墩和樁基的安全；而且其特有的圓弧滑動面具有自動復位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢復原位。

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Analysis on Dynamic Characteristics and Seismic Performance of Box Girder Bridge with PC Combination about Long Span Corrugated Steel Webs

LI Zhi-cong

(Hebei Province Traffic Planning and Design Institute,Shijiazhuang 050011,China)

Box girder bridge with PC combination about corrugated steel webs has some advantages,such as a light weight,prestressed high efficiency,short construction period,handsome in appearance,etc.While it has the clear structure force in integral part because of its unique structural forms.It is applicated in variable crosssection large span girder bridge,and has good development prospects in China.

corrugated steel web;box girder bridge;dynamic characteristic;seismic performance

U442.55

A

1002-4786（2013）09-0082-04

2012-11-30