連續梁橋施工階段地震響應及抗震性能評估

王統寧，靳啟文，胡兆同，唐國斌

(1.河南省橋梁診斷與加固工程技術研究中心橋梁工程研究所，河南鄭州450015;2.河南省交通科學技術研究院有限公司橋梁工程研究所，河南鄭州450015;3.長安大學公路學院橋梁系，陜西西安710064)

0 引言

近年來，全球地震頻繁發生，不但給人民的生命和財產造成了巨大的損失，也給災后救援及重建工作增加了阻力.連續梁橋懸臂澆筑施工周期較長，期間結構內力和位移變化復雜，而地震作用也時有發生，其響應不容忽視，如2008年5月12日的汶川地震，使得正在建設中的位于巴東縣的四渡河特大橋施工主纜漂移達到1 m［1］.1995年1月，日本明石海峽大橋在阪神地震中也有微小損壞:兩主塔基礎之間的距離增加了80 cm，橋塔頂傾斜了10 cm，使主跨增加了近80 cm［2］.

目前，關于橋梁結構的抗震性能研究已較多.文獻［3］對橋梁抗震的設計發展現狀及趨勢進行了研究.文獻［4］對某個連續梁橋進行了地震彈塑性能計算，分析了結構的滯回性能.文獻［5-6］對結構抗震性能計算中涉及的彈塑性單元及材料進行了對比分析.筆者結合一座多跨連續-剛構體系橋梁，對結構關鍵階段的地震響應及抗震性能進行計分析，并初步評估了其塑性發展.

1 鋼筋混凝土結構地震影響計算方法

結構地震振動動力方程的一般形式為

式中:［M］、［C］、［K］分別為 n質點體系的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;I為地震激勵方向單位向量，如僅有縱向地震輸入時，則對應于縱橋向自由度取1，其余為0;ag(t)為t時刻地震加速度時程;u為結構振動響應.

1.1 阻尼參數

假定阻尼矩陣具有正交性以阻尼比的形式計入阻尼，如式(1).實際上，在地震、風等動力作用下，結構的動力反應只由少數低階振型控制，通常采用結構振動分析的瑞麗(Rayleigh)阻尼模型，取鋼筋混凝土結構的阻尼比0.05.

1.2 材料恢復力模型

非線性計算分析采用剛度退化三線型模型(見圖1).已知構件開裂荷載Pc及彈性剛度k1，即可確定開裂點(點1).屈服點(點2)可由構件屈服荷載Py及屈服點割線剛度k4確定.k4=ayk1，其中:ay為屈服點割線剛度降低系數.已知 Pc，Py，k1，ay，即可確定模型.

1.3 地震作用參數

參照《公路橋梁抗震設計細則》，采用動態時程分析方法，選取地震波進行分析(見圖2)，考慮順橋向、橫橋向作用，并進行荷載組合，計算時按照規范對施工期間橋梁的地震影響系數進行折減.

2 研究模型

以豫西某多跨連續-剛構組合橋(50+9×80+78.3)m為例，主梁為單箱單室截面，采用C50混凝土，墩頂梁高為5 m，中間梁高為3 m，超長邊跨現澆段梁高4 m，箱梁梁高采用2.0次拋物線變化;橋墩擬采用45 m(平均)雙肢薄壁截面，下部采用群樁基礎.采用Midas Civil分析程序，利用桿系梁單元建立計算模型，考慮橋面鋪裝層及預應力束的影響.選取以下4個工況進行分析:工況一:最大懸臂階段;工況二:邊跨合龍階段;工況三:中跨合龍階段;工況四:成橋階段.

結合筆者側重研究目的及有限元軟件Midas Civil的功能和結構的具體情況，作如下假定:

(1)計算時不考慮普通鋼筋對結構性能的影響;

(2)結合施工臨時固結措施，采用一般支承約束及彈性連接模擬支座約束，不考慮支座影響;

(3)滯回性能分析時，適當簡化截面及配筋形式以快速確定構件截面的首次屈服彎矩和極限彎矩.

3 地震響應

由GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》及河南省地震烈度區劃圖可知，該橋橋址處E2地震作用發生概率較小，筆者僅對E1地震作用下內力變化進行詳細分析，分別計算得到不同工況關心截面的內力變化，如表1所示(M-y表示順橋向平面內彎矩，M-z表示橫橋向平面外彎矩).

表1 最小組合彎矩計算結果Tab.1 Computational results of minimum bending moment of different job kN·m

由表1可得結構在不同階段下的內力變化示意，如圖3、圖4所示.

由圖3、圖4 可知，1#～3#、8#～10#墩底截面順橋向內力變化較大;4#～7#墩底截面順橋向內力合龍之后變化較大，橫橋向內力變化均勻;2#、3#、8#、9#墩底截面內力變化特殊;剛構梁段內力變化均勻，連續-剛構過渡梁段內力變化特殊;結構順橋向內力變化較大.

4 抗震性能評估

4.1 構件滯回性能

采用Midas Civil構件滯回性能計算功能，結合構件截面鋼筋的配置情況，通過非線性分析，獲得構件控制截面的彎矩-曲率曲線，從而確定構件截面的首次屈服彎矩和極限彎矩.

結構最小荷載組合下，構件關心截面滯回性能如圖5、圖6所示(連續梁段橋墩均為矩形墩，剛構段橋墩均為薄壁墩)

4.2 抗震性能評估

根據JTG/T B02—01—2008《公路橋梁抗震設計細則》，結合地震破壞后橋梁結構修復(搶修)的難易程度，一般采用地震水平I和地震水平II的兩級地震作用作設防水準.對于橋梁墩柱的抗震驗算要求為:在地震水平I作用下基本不發生損傷，結構保持在彈性范圍工作;在地震水平E2作用下，局部可發生可修復的損傷.各構件抗彎能力驗算如表2(最小荷載組合)所示.

表2 不同工況內力變化Tab.2 internal force under different jobs kN·m

續表2

由表2可知，不同階段下剛構梁段順橋向基本為彈性作用，工況四下連續梁段全部進入彈塑性;連續梁段橫橋向基本為彈性作用，剛構梁段則全部處于彈塑性階段;結構順橋向內力，工況四塑性區域發展最快;結構橫橋向內力，工況四塑性趨于發展最快;結構橫橋向塑性發展快于順橋向.

4.3 關心截面滯回性能

地震作用時，不同工況不同構件關心截面滯回變化如圖7、圖8(限于篇幅，此處僅給出4#墩底關心截面的工況二、三作用下的彎矩-曲率滯回變化)所示:

圖7 工況二墩底滯回曲線Fig.7 Pier bottom hysteresis curve of job two

圖8 工況三墩底滯回曲線Fig.8 Pier bottom hysteresis curve of job three

由圖7、圖8可知，工況三時結構內力變化為一條斜線，表示基本處于彈性作用階段，無明顯開裂，工況二時結構內力變化為近似梭行的曲線，比較飽滿，沒有水平段，表示已經開裂但沒有屈服，處于彈塑性作用階段.

5 結論

通過對結構在不同施工階段下的地震影響及抗震性能進行對比分析，得到如下結論.

(1)結構剛構梁段內力變化均勻，受力性能優于連續梁段，連續-剛構過渡梁段內力變化特殊;結構橫橋向內力受施工影響較小，順橋向內力尤其是成橋時連續梁段內力變化較大;

(2)結構剛構梁段順橋向、連續梁段橫橋向基本處于彈性作用;施工過程中，剛構梁段橫橋向全部處于彈塑性階段，成橋時連續梁段順橋向內力全部處于彈塑性階段;

(3)成橋時結構順橋向、橫橋向塑性區域發展最快，中跨合龍時橫橋向塑性發展較慢;結構橫橋向塑性發展快于順橋向;

(4)邊跨合龍時4#墩底截面發生開裂但沒有屈服，處于彈塑性作用;中跨合龍時結構處于彈性作用.

結構設計時，應首先選擇受力性能較好的剛構梁體系，不能避免連續-剛構組合體系時，需要注意過渡梁段的內力變化;需加強剛構梁段的橫橋向、連續梁段的順橋向抗震設計，避免橋墩基礎過早的出現塑性區域;施工時，需注意剛構橋橫橋向荷載，加強對邊跨合龍階段的觀測.

［1］鳳凰網.汶川地震致滬蓉西高速公路四渡河特大橋部分設施漂移［EB/OL］.http://news.ifeng.com/special/0512earthquake/rollnews/detail_2008_05/12/1439094_0.shtml，2008.

［2］百度百科.明石海峽大橋［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/326276.htm，2011.

［3］范立礎，王君杰.橋梁抗震設計規范的現狀與發展趨勢［J］.地震工程與工程振動，2001，21(2):70-77.

［4］陳興燁，顏東煌，劉文浩.某連續剛構梁橋的彈塑性抗震性能分析［J］.中外公路.2008，28，(3):75-81.

［5］聶利英，李建中，范立礎.彈塑性纖維梁柱單元及其單元參數分析［J］.工程力學，2004，21(3):15-20.

［6］宋波，黃帥.長周期地震對矩形橋墩動水壓力及墩身動力響應的影響［J］.徐州工程學院學報:自然科學版，2012，27(1):19-25.