大跨連續(xù)剛構(gòu)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(shè)計(jì)院有限公司 寧夏分公司,寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021）

大跨連續(xù)剛構(gòu)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(shè)計(jì)院有限公司 寧夏分公司,寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院,寧夏 銀川 750021）

現(xiàn)以一座連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?建立空間有限元模型,采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)其地震響應(yīng)進(jìn)行分析,并對(duì)該橋的抗震性能進(jìn)行了驗(yàn)算。其計(jì)算方法和結(jié)果可為同類橋型提供有益借鑒。

連續(xù)剛構(gòu)橋；反應(yīng)譜分析；時(shí)程分析；抗震性能

0 引言

隨著我國公路基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè),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(fù)雜、山高坡陡,結(jié)構(gòu)受力合理,跨越能力大的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)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(gòu)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(shí)各墩受力情況較為復(fù)雜[2]。

現(xiàn)以一座山區(qū)連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行分析,采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法對(duì)其地震響應(yīng)進(jìn)行分析,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

該橋上部結(jié)構(gòu)采用變截面預(yù)應(yīng)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(cè)懸臂長3.0 m,全寬12.5 m。箱梁底板水平,頂面設(shè)置2%橫坡,通過梁腹板高度調(diào)節(jié),腹板保持鉛直。跨中梁高2.8 m,中支點(diǎn)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(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。

圖1 總體布置圖

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

依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙,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。主梁、橋墩均采用空間梁?jiǎn)卧M,樁土相互作用采用承臺(tái)底設(shè)置6個(gè)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(jié)構(gòu)的影響。動(dòng)力計(jì)算有限元模型見圖2所示。

圖2 有限元模型

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。

表 1前5階振型振動(dòng)特性一覽表

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)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[3],水平向設(shè)計(jì)基本地震加速度峰值為0.3 g,場(chǎng)地類別為II類,設(shè)計(jì)特征周期為0.45 s,結(jié)合《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]的要求,該橋抗震設(shè)防類別為B類橋梁,對(duì)應(yīng)E1和E2地震水平反應(yīng)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(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜由水平向設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜乘以豎向/水平向譜比函數(shù)R。該橋橋址為基巖場(chǎng)地,R=0.65。

3.2 地震動(dòng)時(shí)程

時(shí)程分析的結(jié)果依賴于地震動(dòng)輸入,如地震動(dòng)輸入選擇不好,則可能導(dǎo)致結(jié)果偏小。在對(duì)橋梁進(jìn)行E2地震作用（重現(xiàn)期2 000 a）的時(shí)程分析時(shí),依據(jù)08細(xì)則、歐洲規(guī)范和美國AASHTO規(guī)范的規(guī)定,采用與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜匹配的地震動(dòng)輸入時(shí)程,采用3組地震波參與設(shè)計(jì)時(shí)取反應(yīng)的最大值驗(yàn)算,采用7組地震波參與設(shè)計(jì)時(shí)取反應(yīng)的平均值驗(yàn)算。在該橋計(jì)算中,選取了與E2地震動(dòng)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(qiáng)震數(shù)據(jù)庫中（PEER）選取的實(shí)際地震波。3條地震波與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的匹配關(guān)系如圖3所示。由圖3可知,三條地震波與規(guī)范反應(yīng)譜在短周期和中長周期都有較好的匹配,可反映規(guī)范設(shè)計(jì)譜的頻譜特性。E1地震作用下的地震動(dòng)輸入可通過E2地震動(dòng)調(diào)幅獲得。

圖3 E2水平向設(shè)計(jì)譜及地震波匹配關(guān)系曲線圖

3.3 地震響應(yīng)分析

E1和E2地震作用下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析分別采用反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法,鑒于篇幅,表3僅列出了反應(yīng)譜分析法計(jì)算得到的E1地震作用下墩底截面的地震響應(yīng)。

由于墩高較大,各墩縱橫向地震反應(yīng)總體較大,橫向地震響應(yīng)略大于縱向。縱橋向地震響應(yīng)發(fā)生在主墩中相對(duì)較低的橋墩（3號(hào)墩）,而橫橋向最大地震響應(yīng)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(shè)計(jì)細(xì)則》性能要求與抗震驗(yàn)算中采用的抗震驗(yàn)算方法,首先將橋墩截面劃分為纖維單元,采用實(shí)際的鋼筋和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分別模擬鋼筋和混凝土單元,然后采用數(shù)值積分法進(jìn)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(duì)應(yīng)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(yīng)一覽表

圖4 彎矩-曲率曲線圖

4.2 驗(yàn)算思路

該橋按規(guī)范設(shè)防分類為B類橋梁,需滿足“小震不壞、大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。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(shè)計(jì)較為保守。為了解橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際具有的抗震性能,驗(yàn)算時(shí)擬先對(duì)高一級(jí)的地震動(dòng)水準(zhǔn)進(jìn)行驗(yàn)算,看是否滿足對(duì)應(yīng)承載能力。

如驗(yàn)算時(shí)首先假定結(jié)構(gòu)在中震作用下（E1重現(xiàn)期475 a）結(jié)構(gòu)保持為彈性狀態(tài),對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算,若結(jié)構(gòu)抗震性能滿足“中震不壞”,則自動(dòng)滿足該橋“小震不壞”的抗震設(shè)防目標(biāo)；假定結(jié)構(gòu)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(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和驗(yàn)算,若結(jié)構(gòu)抗震性能滿足“大震可修”,則自動(dòng)滿足該橋“大震不倒”的抗震設(shè)防目標(biāo)。具體設(shè)防水準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的抗震性能驗(yàn)算指標(biāo)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(yīng)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(jié)構(gòu)整體反應(yīng)還在彈性范圍,截面彎矩應(yīng)小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq。

4.3 抗彎能力驗(yàn)算

采用美國伯克利大學(xué)開發(fā)的截面分析程序XTRACT進(jìn)行截面劃分及截面彎矩-曲率關(guān)系計(jì)算。驗(yàn)算時(shí),橋墩截面設(shè)計(jì)荷載采用恒載+地震荷載作用下的最不利內(nèi)力組合效應(yīng)（取三條時(shí)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(yàn)算結(jié)果。由驗(yàn)算結(jié)果可知,在E1、E2計(jì)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(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱截面。總體來看,算例橋梁具有“中震不壞、大震可修”的抗震性能,高于設(shè)計(jì)規(guī)范[4]對(duì)B類橋梁“中震不壞、大震可修”的抗震設(shè)防要求。

表3 E1地震作用下橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)果一覽表

表4 E2地震作用下橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力驗(yàn)算結(jié)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(duì)應(yīng)抗震性能驗(yàn)算的能力需求比通常也存在差異,因此在對(duì)其進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、墩高差異,對(duì)各橋墩的截面形式和截面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),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(jià)。

5 結(jié)論

（1）大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的過渡墩及主墩組合截面中的單肢截面是結(jié)構(gòu)抗震性能中的薄弱環(huán)節(jié),抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行仔細(xì)核查。

（2）高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)闈M足橋墩穩(wěn)定性要求,通常采用較大的設(shè)計(jì)截面尺寸。為掌握結(jié)構(gòu)實(shí)際的抗震性,應(yīng)對(duì)不同水準(zhǔn)下的結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行驗(yàn)算。

[1]王常峰,陳興沖,夏修身.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)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(duì)彎連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響[J].公路交通科技,2009,26（2）:68-72.

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

[4]JTG/T B02-01-2008,公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)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(jì)寧人,工程師,從事高速公路建設(shè)管理工作。