大跨度連續剛構橋橋墩的地震響應分析

董學申+劉興順+寧曉駿

摘要： 為分析橋墩形式對大跨度連續剛構橋的地震影響，以某連續剛構橋為工程背景，運用大型專業有限元分析軟件MIDAS CIVIL建立動力分析模型，分別對不同墩截面形式進行模態分析，采用動力反應譜分析法計算出結構的動力響應，并對不同結果對比分析，所得結論為大跨度連續剛構橋的抗震分析和設計提供相關依據。

Abstract： In order to analyze the influence of bridge pier form on the large-span continuous rigid frame bridge， a continuous rigid frame bridge is used as the engineering background， and the dynamic analysis model is established by using the finite element analysis software CIVIL MIDAS. The model analysis of the different pier section is carried out. Dynamic response spectrum analysis method is used to calculate the dynamic response of the structure， and the results are compared and analyzed. The results provide a basis for the seismic analysis and design of large span continuous rigid frame bridges.

關鍵詞： 地震響應；抗震分析；反應譜分析法；連續剛構橋

Key words： seismic response；seismic analysis；response spectrum analysis method；continuous rigid frame bridge

中圖分類號：U443.22 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）31-0120-02

0 引言

高墩大跨連續剛構橋是山嶺重丘區域和高差大、地質地形復雜的西部地區常用一種橋型，但一般西部地區都是地震頻發地帶，而從汶川地震對交通的破壞直接導致了經濟的重大損失來看，對于此種橋型的抗震性能研究是十分必要的，同時也是提高橋梁安全性的重要課題。本文依據《公路橋梁設計抗震細則》（JTJ/TB02-01-2008），運用有限元軟件MIDAS CIVIL 建立了某高墩連續剛構橋的有限元模型，采用了動力反應譜分析法對該橋進行了抗震性能分析。

1 工程概況

本橋位于西部地區某二級公路上一座連續剛構橋，跨徑為396m，主橋采用103+190+103m單箱單室預應力混凝土變截面連續剛構橋，下部結構采用雙薄壁墩，鉆孔樁基礎（按摩擦樁設計）。橋梁上部主梁截面為單箱單室箱型截面，箱梁頂板寬12m，底板寬6.5m；下部2主墩為高度與截面均相同的雙肢薄壁墩，墩高104m，雙肢薄壁截面肢中心距10.5m，縱橋向單肢寬3.5m，壁厚0.6m，橫橋向單肢寬8.5m，壁厚1.0m，主墩承臺厚度為5m，承臺下采用16根D2m鉆孔灌注樁基礎，墩身采用C50混凝土，承臺樁基采用C30混凝土。

2 計算參數

2.1 永久荷載

①一期荷載：混凝土容重取26kN/m3。

②二期荷載：包括橋面鋪裝，防撞欄等均以均布荷載計入，合計均布荷載為72kN/m。

2.2 偶然荷載

根據 《建筑抗震設計規范》（GB50011-2001）[1]、《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2001），橋位區域地震動反映譜特征周期為0.4s，設計基本地震加速度值為0.2g，對應地震基本烈度為七度。

根據《公路橋梁抗震設計細則》[2] （JTG/T B021-01-2008）9.3.6規定，混凝土橋梁，拱橋的阻尼比不宜大于0.05，因此在這里取阻尼比為0.05。按抗震細則9.3.1條，本次抗震計算采用多振型反應譜法進行計算。水平設計加速度反應譜由下式確定：

S=Smax（5.5T+0.45） T<0.1sSmax 0.1s？燮T？燮TgSmax（Tg/T） T>Tg

Smax=2.25CiCgCdA

式中Tg為特征周期，T為結構自振周期，Smax為水平設計加速度反應譜最大值；Ci為抗震重要系數取1.0，Cg為場地系數取1.0，Cd為阻尼調整系數取1.0，A為水平向設計基本地震加速度峰值。

3 模型建立

運用MIDAS CIVIL建立全橋有限元模型，對結構進行加速度反應譜分析。考慮結構抵抗順橋向和橫橋向地震作用的影響，模態組合采用CQC法。同時根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》[3]（JTG D63-2007）規定，利用土彈簧模擬樁和土之間相互作用，盡可能真實地模擬樁基礎。全橋模型如圖2所示。

4 結果分析

4.1 實心墩和空心墩的對比分析

對模型中的橋墩分別采用圖3兩種截面形式，一種為實心墩，一種為空心墩。然后對模型進行地震響應下的反應譜分析，結果如表1所示。

表1中可以看到當橋墩分別采用外部尺寸相同的實心墩和空心墩時，空心墩的基頻、反應譜加速度、墩頂的位移和墩底的內力均小于實心墩，由此可見，在地震的作用下，空心墩比實心墩具有更好的抗震效果。

4.2 橋墩采用不同截面尺寸對比分析

對模型中的橋墩分別采用8.0×3.5、8.0×4.0、8.0×4.5和8.0×5.0四種截面尺寸，在地震響應下的結果如表2所示。

由表2中可以看出，加大橋墩的截面尺寸，雖然墩頂的位移值會減小，但是位移變化并不明顯；同時橋墩截面尺寸越大，橋梁的剛度就越大，基頻也越大，動力反應譜加速度越大，而且加大橋墩的截面尺寸還會使得地震響應下墩底的內力變大。所以從抗震設計的角度而言，橋墩的截面尺寸加大，會對抗震不利。

4.3 橋墩不同截面形式的對比分析

對模型分別采用8.0×7.0的單矩形墩，直徑6.16m的圓形柱式墩和8.0×3.5的矩形雙薄壁墩，三種截面形式的面積都相等，在地震響應下的分析結果如表3所示。

由表3中結果可以看出在三種截面形式中單矩形墩相比雙薄壁墩而言，基頻較大，在地震響應下的反應譜加速度更大，墩底的內力也更大，所以雙薄壁墩比單矩形墩具有更好的抗震性能，而相比圓形墩而言，矩形墩在地震響應下反應譜加速度偏小一點，墩頂位移和墩底內力相差不大。

5 結論

通過對該剛構橋的地震響應分析可以得出以下結論：

①在滿足結構靜力承載能力的設計情況下，空心墩相對于實心墩具有更好的抗震性能。②在剛構橋梁結構設計中，應該根據場地條件和結構特性合理選擇橋墩的截面尺寸和截面形式。從抗震設計方面考慮，矩形雙薄壁墩相對于其他矩形和柱式墩更具有抗震效果；而且橋墩的截面尺寸越大，橋梁的剛度就會越大，橋墩的內力越大，對結構的抗震更不利。在橋梁設計時應根據具體的地質環境條件，同時綜合考慮經濟因素及安全因素選擇恰當的抗震措施，就能盡量減低橋梁震害的影響。③在橋梁抗震的設計中，注重延性抗震的理念，發揮延性在橋梁中的重要作用，控制好橋墩剛度對橋梁地震響應的影響，同時也應該考慮橋梁在地震響應下結構位移的要求。

參考文獻：

[1]GB50011-2001，建筑抗震設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2]JTG/TB021-01-2008，公路橋梁抗震設計細則[S].北京：人民交通出版社，2008.

[3]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎設計規范[S].北京：人民交通出版社，2007.

[4]鐘愛君，管仲國.橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011.

[5]范立礎，卓衛東.橋梁延性抗震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.

[6]M.J.N、普瑞斯特雷，等.橋梁抗震設計與加固[M].北京：人民交通出版社，1997.

[7]李勝，周建春.基于midas civil的連續剛構橋的地震響應分析[J].低溫建筑技術：2014（02）.