罕遇地震作用下山型軌道連續梁橋抗震性能研究

錢江

（北京邁達斯技術有限公司，北京市 100000）

0 引言

傳統的城市軌道交通U型梁為簡支結構，其缺點是經濟跨度小，一般為30 m以下，無法適應較大跨越能力的要求。若采用上承式的箱梁截面，雖然可以適用于大跨的情況，但其結構高度大，空間利用率低，景觀性一般。

采用山型連續梁能較好地解決傳統U形梁的不足，近些年來在很多項目中得到了廣泛應用。同時，城市軌道交通高架橋梁是城市極為重要的交通基礎設施，通過合理的抗震分析與設計，使其具備更合理的抵抗地震破壞的能力。而延性設計作為重要的抗震設計思路，在相應的規范中都有體現。

目前國內針對山型連續梁的罕遇地震作用下響應研究較少，本文結合濟南市軌道交通R1線工程的30 m+40 m+30 m山型連續梁的計算分析，進行其抗震性能的研究。

1 工程概況

濟南市軌道交通R1線工程全長26.27 km，其中高架線約16.2 km，過渡段長約0.2 km，地下線約9.87 km。高架線主體結構30 m+40 m+30 m為控制節點，梁體為山型連續梁，采用C60混凝土澆筑。梁體跨中位置梁高1.84 m，支點位置梁高3.4 m，橋寬11 m，具體橋型布置、跨中截面與支點截面如圖1～圖3所示[1]。

圖1 30 m+40 m+30 m橋型布置示意圖（單位：cm）

圖2 主梁跨中斷面示意圖（單位：mm）

圖3 主梁支點斷面示意圖（單位：mm）

2 地震動時程作用

根據規范[2]第3.2條要求，該橋按重點設防類考慮，從整體抗震要求，在E1和E2地震作用下，結構不受損傷；在E3地震作用下，結構可能產生較大破壞，但不應出現倒塌的情況，經維修加固后仍可繼續使用[2]。考慮到E1和E2地震，采用多振型反應譜分析即可，由于操作比較簡單，現重點研究在罕遇地震E3作用下，結構的地震響應情況。

2.1 設計地震加速度反應譜

根據地震安評報告，該橋所處場地的地震動基本參數如表1所列。規范[2]要求的地震反應譜設計曲線如圖4所示。

表1 設計場地的地震動基本參數表

圖4 規范設計地震動加速度反應譜曲線圖

因此按照設計條件進行地震動加速度反應譜曲線擬合，具體如圖5所示。其中峰值頻譜數據為0.472 5g。

圖5 E3地震動加速度反應譜

2.2 設計地震動時程

抗震分析選取的地震波需要滿足一定條件，首先是特征周期一般不超過場地特征周期的10%；對于峰值強度，可根據場地的地震影響系數除以2.25來確定強度放大系數；持續時間指地震波曲線首次達到10%峰值至最后一次達到10%峰值強度之間的時長，一般要求持續時間大于橋梁結構基本周期5倍以上。依照此原則選取三條人工擬合地震波，具體如圖6所示，而后進行E3地震作用下時程分析。

圖6 E3罕遇地震作用下三條人工地震波圖示

3 纖維分析模型要點

對于考慮地震作用下材料非線性的影響，一般可以采用骨架曲線或者纖維模型進行模擬。采用纖維模型，可以精細模擬橋墩截面的各個位置，包括混凝土與鋼筋在不同時刻的屈服狀態。鋼筋采用考慮“包辛格”效應的Menegotto本構，混凝土采用能分別考慮約束和非約束[3-4]兩種狀態的mander本構，如圖7所示。根據實際橋墩截面，進行纖維劃分，如圖8所示。

圖7 mander本構模型示意圖

圖8 固定墩截面纖維劃分圖

4 罕遇地震時程分析

4.1 有限元分析模型

利用midas Civil大型有限元軟件建立三維模型，具體如圖9所示。將自重及二期恒載等轉化為質量加在結構上，同時為了考慮樁-土耦合效應，建立承臺底樁單元，側向施加土彈簧，按m值法進行計算，其中考慮地震作用，m值放大2～3倍[5-7]。

圖9 全橋抗震分析有限元模型

4.2 結構動力特性

采用多重Ritz向量法求解結構動力特性，分別考慮X、Y、Z各20階，得到自振周期與振型描述如表2所列，結構前6階振型如圖10所示。

表2 結構自振頻率與振型描述一覽表

圖10 全橋前六階振型示意圖

4.3 動力彈塑性分析結果

將三組人工波，按順橋向與橫橋向同時輸入計算模型，最后取三者作用最大的結果進行包絡輸出，分別得到固定墩的彎矩值My與Mz，剪力值Fy與Fz四個內力時程曲線如圖11、圖12所示，對應的彎矩與曲率滯回曲線如圖13、圖14所示。

圖11 固定墩順橋向與橫橋向彎矩時程曲線圖

圖12 固定墩順橋向與橫橋向剪力時程曲線圖

由分析結果可知，固定墩在地震作用下進入塑性狀態，結構順橋向最大彎矩為70 123 kN·m，大于屈服彎矩30 803 kN·m，因此根據規范要求進行延性比驗算。

圖13 固定墩順橋向彎矩-曲率滯回曲線圖

圖14 固定墩橫橋向彎矩-曲率滯回曲線圖

4.4 結構延性比驗算

為了保證延性構件能安全進入耗能狀態，同時保證結構不垮塌，根據規范[8]要求進行延性比驗算。應滿足下述要求：其中最大容許延性比為4.8。

根據分析結果可知，在罕遇地震作用下，固定墩墩頂順橋向與橫橋向最大位移分別為24.7 cm和11.5 cm，與之響應的屈服位移分別為17.3 cm和8.2 cm。因此，順橋向非線性位移延性比為1.42，橫向為1.40，均小于4.8，滿足規范要求。

5 體積配箍率參數研究

由國內外的地震災害統計可知，許多橋梁的破壞都是由于發生了塑性鉸剪切破壞，因此在《城市軌道交通結構抗震設計規范》中，對于塑性鉸抗剪驗算提出了明確要求，根據第7.2.1條可知：

Vyd=Vcd+Vwd，其中 Vcd、Vwd、分別混凝土和箍筋抗剪能力。

對于獨柱墩結構容許變形的計算，參考公路抗震設計細則第7.4.7條要求[9]。

Δu其中 ?y和 θu分別為屈服曲率和極限曲率。

為了保證結構能滿足在罕遇地震作用不倒塌，塑性鉸區域的抗剪能力至關重要。因此本節研究配置不同的箍筋，直徑為 ?10、?12、?14、?16，其體積配箍率分別 0.295%、0.424%、0.577%、0.754%，對塑性鉸抗剪能力與結構延性的影響予以分橋，見圖15所示。

圖15 不同體積配箍率的對抗剪與容許變形影響曲線圖

由分析結果可知，采用直徑12的箍筋時候，橋墩最大剪力為3 898 kN，小于抗剪容許值17 623 kN，滿足規范要求。

同時可以看到體積配箍率的增加，有效地提高結構的抗剪承載能力，與此對應的是，截面極限曲率也在提升，容許位移也再增加。說明箍筋的約束增加，可以提高墩柱的延性能力，增加結構的耗能。因此，在實際設計過程中，可以根據實際條件，適當地增強塑性鉸區域箍筋的配置，以保證實現結構“強剪弱彎”的需求。

6 結論

本文以濟南市軌道交通R1線30 m+40 m+30 m山型連續梁研究背景，選取三組人工地震波，進行E3罕遇地震作用動力彈塑性分析，主要結論如下：

（1）固定墩承受主要彎矩，進入塑性狀態，結構全截面開裂，縱向鋼筋屈服，兩個方向的位移延性比分別為1.42和1.40，低于規范容許值4.8，滿足規范要求。

（2）固定墩進入塑性狀態同時，進行塑性鉸抗剪驗算，最大剪力設計值為3898kN，小于17623kN，滿足規范要求。

（3）研究發現體積配箍率的增加，可以有效地提高抗剪承載能力，增大結構的極限曲率，相應結構容許位移也再增加。體積配箍率的增加，可以有效地提高結構延性，增加耗能，在設計過程中，可以適當加強抗剪箍筋設置，對于延性設計更為有利。