E2地震作用下某連續梁橋抗震性能分析

時小梅

(魯南高速鐵路有限公司，山東 濟南 250102)

橋梁作為跨越障礙物的建筑物，在人類社會經濟發展和日常生活中發揮著巨大的作用，連續梁橋由于施工簡單、能夠裝配式作業等特點，在橋梁建設中得到了廣泛的應用。我國由于地處亞歐板塊與太平洋板塊之間，近年來地震頻發，造成了大量橋梁毀壞甚至倒塌，不僅導致巨大的經濟損失，而且給救援工作帶來了不便[1]，因此開展連續梁橋的抗震性能研究具有重要的意義。

目前，國內外學者針對連續梁橋的抗震開展了諸多研究。文獻[2]基于地震易損性通過設置不同的減震措施對連續梁橋的減隔震措施進行了研究，指出高烈度地區連續梁須通過減隔震設計達到抗震設防要求。文獻[3]通過輸入E2水平的強震，對城市連續梁橋雙柱墩墩頂容許位移進行了分析計算，闡述了計算方法和流程。文獻[4]以某大跨長聯波形鋼腹板連續梁橋為工程背景，對其隔震設計進行了研究，得出采用速度鎖定器+摩擦擺支座復合抗震的措施可有效改善結構受力。文獻[5]以干海子特大橋為工程背景，設置不同的結構設計參數工況，研究了鋼管混凝土格構式高墩連續梁橋的抗震設計，研究結果表明合理的結構參數設置可以有效降低結構地震響應。文獻[6]研究了某4跨連續梁橋鉛芯橡膠支座減隔震的分析方法，考慮結果誤差，設計時建議對規則橋梁簡化分析結果乘以1.1的安全系數。以上有關連續梁地震響應的研究，大多集中于減隔震措施及參數設置方面，但均未涉及連續梁橋自身的抗震性能研究。

本文以某(3×25 m)裝配式預應力混凝土箱型連續梁橋為工程背景，建立全橋MIDAS CIVIL有限元模型，輸入E2水平下的3條地震動，通過動態時程分析方法從強度角度分析了該連續梁橋的抗震性能，并對本橋抗震性能做出評估。

1 工程概況及有限元模型建立

1.1 工程概況

某裝配式預應力混凝土箱型連續梁橋(見圖1)，跨徑布置為3×25 m，主梁采用箱型截面。該橋箱梁采用C50混凝土，蓋梁、墩柱采用C35混凝土，樁基采用C30混凝土。邊墩樁長50 m，樁基為直徑1.3 m的圓形截面；中墩樁長60 m，樁基為直徑1.5 m的圓形截面；中墩為直徑1.2 m的圓形截面。該橋按照延性構件進行設計，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.15g，抗震措施按抗震設防烈度8度設計。

圖1 某裝配式預應力混凝土箱型連續梁橋立面圖(單位：cm)

1.2 建立有限元模型

采用MIDAS對某(3×25 m)裝配式預應力混凝土箱型連續梁橋建立有限元分析模型。全橋由350個節點和325個單元組成，箱梁、蓋梁、墩柱、樁基均采用空間梁單元模擬，二期恒載為160 kN/m，樁底采用一般支撐，約束其平動自由度和轉動自由度，對于樁土之間的作用采用彈簧來模擬，彈簧的剛度按“m”法計算[7]，左邊墩與主梁間模擬固定支座連接，其與墩梁間模擬活動支座連接。有限元模型見圖2。

圖2 有限元分析模型

2 動力特性分析

表1中給出了模型前5階的動力特性。根據結構相關抗震規范可知，結構的自振周期與其自身的剛度成反比，從延性角度進行抗震設計時，較大的自振周期在一定范圍內有助于減弱地震響應。另外，結構自振周期是決定地震影響系數的重要因素，在相同的震級和場地條件下，當結構自振周期與場地的特征周期越接近則水平地震影響系數越大。

表1 連續梁橋動力特性

3 地震動輸入

依據《公路橋梁抗震設計細則(JTG/TB02-01-2008)》并結合橋梁類型、橋址處場地土特性及地震設防要求，本連續梁橋為B類橋梁，場地土屬于Ⅱ類場地，按照8度抗震設防烈度要求，本文選用安評報告中E2水平下3條地震波，所選地震波加速度分別為0.23g、0.21g及0.24g。地震動按照(順+豎)的方式輸入，豎向加速度按照水平向的65%取值。圖3～圖5為所選地震動加速度時程曲線。

圖3 第1條安評地震動 圖4 第2條安評地震 圖5 第3條安評地震動

4 抗震性能分析

4.1 地震響應結果

恒載單獨作用下的內力見表2，E2地震作用下的恒載與地震作用組合列于表3，地震作用下的內力取3條地震波作用下的最大值。表中內力組合為恒載內力和地震作用之和，最大軸力為地震軸力與恒載軸力之和，最小軸力為兩者之差。

由表3可知，在恒載和E2地震作用下， 通過對比可知，在(順+豎)方式輸入下，無論是最大軸力還是最小軸力，中墩均大于邊墩，故中墩為最大軸力墩；從面內角度分析，最大彎矩和剪力均出現在邊墩，邊墩為最大受力墩；從面外角度分析，最大彎矩和剪力均出現在中墩，中墩為最大受力墩；由地震響應結果可以看出，順橋向地震響應遠大于橫橋向地震響應，設計時順橋向起控制作用。

表2 恒載的內力

注：面內指橋梁立面所在平面，面外指橋梁橫截面所在平面，下同。

表3 E2地震作用與恒載的內力組合

4.2 抗震性能分析

本節應用UCfyber彎矩曲率計算軟件分析了墩底截面的屈服彎矩，控制截面的屈服彎矩列于表4，其中，MyP表示順橋向屈服彎矩，MzP表示橫橋向屈服彎矩，由于控制截面均為圓形截面，所以順橋向屈服彎矩與橫橋向屈服彎矩相同。

由表4可知，最大軸力作用下，邊墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為5 035 kN·m，中墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為4 069 kN·m；最小軸力作用下，邊墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為5 024 kN·m，中墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為4 045 kN·m。本橋在E1地震作用下各構件均處在彈性狀態，對比表2和表3可知，在恒載和E2地震作用下，本橋關鍵截面的最大彎矩小于其屈服彎矩，且具有一定的安全儲備，可見本橋具有良好的抗震性能。

表4 順橋向輸入時控制截面的屈服彎矩

5 結論

(1)該連續梁橋自振周期較小，通過動力特性分析可知，其第一階自振周期為2.562 s，振型為主梁橫向彎曲振動。

(2)地震動在(順+豎)方式輸入下，順橋向地震響應遠大于橫橋向地震響應，在設計中順橋向起控制作用。

(3)在恒載和E2地震共同作用下，本橋邊墩墩底彎矩和中墩墩底彎矩均小于其屈服彎矩，且有一定的安全儲備；從強度角度分析，本橋抗震性能良好。