某大橋抗震性能研究

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司 廣東 廣州 510230)

一、工程概況

某大橋工程位于木蘭縣至賓縣路線上，是跨越琥江的特大型橋梁，全橋跨徑布置為4×40m+11×(3×40m)預應力混凝土簡支轉連續T梁+(95m+5×160m+95m)預應力混凝土連續箱梁+3×40+4×40m預應力混凝土簡支轉連續T梁，橋梁全長2761.56m。

主橋結構為預應力混凝土連續箱梁，跨徑布置為(95m+5(160m+95m)，里程樁號為K3+004.84～K5+766.56，主橋全長990m。圖1為主橋的立面布置圖。

圖1某大橋主橋立面布置

(一)主要研究內容

該橋工程是一個特大型橋梁工程，一旦在地震中遭到破壞，可能導致巨大的生命財產以及間接經濟損失。因此，進行正確的抗震研究，確保其具有合理的抗震能力具有重要的意義。主要研究內容有：

基于施工圖設計方案，建立主橋采用常規球型支座下主、引橋合理空間動力計算模型，分析結構動力特性；在線性模型基礎上，考慮了主橋中球型鋼支座和引橋中四氟乙烯滑板支座的縱向滑動摩擦效應，建立了非線性分析模型；根據建立的線性和非線性模型，采用反應譜方法和非線性時程方法進行地震反應分析，研究原結構體系下橋梁結構在兩種設防水準(E1地震作用、E2地震作用)地震輸入下的地震反應。

二、抗震設防標準、性能目標和輸入地震動參數

(一)抗震設防標準

按《公路橋梁抗震設計細則》中的規定，某大橋屬于A類橋梁，采用E1地震作用(50年超越概率10%)和E2地震作用(50年超越概率2%)兩種地震動水平進行抗震設防。

對于主橋，參考《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01—2008)相關條款以及類似橋梁的研究成果，主橋相應的性能目標確定為：當橋梁遭受E1地震作用時，橋梁不受損壞或不需修復可繼續使用；當橋梁遭受E2地震作用時，橋梁可發生局部輕微損傷，不需修復或經簡單修復可繼續使用。

(二)地震動輸入

1.反應譜

根據《某大橋工程場地地震安全性評價》，工程場地阻尼比為0.05的水平設計加速度反應譜由下式確定：

S(T)=Amax·β(T)

式中M-φ為水平設計加速度反應譜最大值，Tg為場地特征周期(單位s)，T為結構自振周期(單位s)，β(T)為動力放大系數反應譜，Smax為水平設計加速度反應譜最大值。各參數如表1所示。輸入時分別考慮豎向地震荷載與縱橋向和橫橋向地震荷載的組合，豎向地震荷載取水平地震荷載的0.65倍。

表1 場地地表設計地震影響系數曲線參數表

根據《公路橋梁抗震設計細則》的規定，混凝土梁橋的阻尼比不宜大于0.05，本研究取阻尼比為0.05。

對于豎向設計地震動參數，根據《公路橋梁抗震設計細則》，豎向設計加速度反應譜由水平向設計加速度反應譜乘以下式給出的豎向/水平向譜比函數R。

基巖場地：R=0.65；

本橋處于基巖場地，故的豎向/水平向譜比函數R取為0.65。

2.加速度時程

根據《某橋工程場地地震安全性評價》提供反應譜曲線，利用地震波生產程序得到加速度時程曲線，E1地震輸入與E2地震動輸入情況下的加速度時程曲線。輸入時分別考慮豎向地震荷載與縱橋向和橫橋向地震荷載的組合，豎向地震荷載取水平地震荷載的0.65倍。

三、主橋采用常規球型支座下結構地震反應分析

(一)非線性動力模型

在線性模型基礎上，非線性動力分析模型考慮了主橋的球型鋼支座和引橋的四氟乙烯滑板支座的縱向滑動摩擦效應。

球型鋼支座和四氟乙烯滑板支座可采用恢復力模型模擬其摩擦效應。其中恢復力模型的主要參數介紹如下：

(1)Fmax為臨界滑動摩擦力，取為支座恒載軸壓力N乘以動摩擦系數，本研究中球型鋼支座和四氟乙烯滑板支座的動摩擦系數均取為0.02，即Fmax=N×0.02；

(2)K為支座發生滑動前的剪切剛度，球型鋼支座滑動前剛度K可由臨界滑動摩擦力Fmax除以臨界滑動摩擦位移Xy得到，本研究對Xy取為2mm，四氟乙烯滑板支座滑動前剛度K可采用按式(3.1-1)計算得到；

(3)支座滑動后，恢復力模型中的二次剛度取為0。

(二)動力特性分析結果

根據線性動力計算模型，進行結構動力特性分析，表2為計算模型的前10階振型、頻率及振型特征。

表2 計算模型基本動力特性

(三)反應譜分析結果

對線性動力計算模型(不考慮活動支座滑動方向的摩擦效應)進行反應譜地震反應分析時，分別采用E1地震作用、E2地震作用兩種設防水準反應譜，地震輸入方式：1.縱向+豎向；2.橫向+豎向兩種方式。采用彈性反應譜分析方法，計算中取前500階振型，振型組合按CQC法，方向組合按SRSS法。地震輸入下，主橋各橋墩墩底截面、引橋各橋墩墩底和墩頂截面、樁最不利截面為地震反應控制截面。

1.E1地震作用下結構響應

在E1地震作用輸入下，各橋墩墩底截面地震內力。

表3 各橋墩墩底截面地震響應

四、非線性時程分析結果

對非線性模型進行地震反應分析時，考慮活動支座滑動方向的摩擦效應，根據《某大橋工程場地地震安全性評價》提供反應譜曲線，利用地震波生產程序得到E1地震作用和E2地震作用下加速度時程曲線，地震輸入方式為：1.縱向+豎向；2.橫向+豎向兩種方式，分析方法采用非線性時程分析方法，并取三條波的最大值作為最終輸出結果。地震輸入下，主橋各橋墩墩底截面、引橋各橋墩墩底和墩頂截面、樁最不利截面為地震反應控制截面。

由于在進行非線性地震反應分析時，只考慮了主橋中球型鋼支座和引橋中四氟乙烯滑板支座的縱向滑動摩擦效應，因此僅給出縱橋向分析結果，橫橋向結果可參考反應譜計算結果。