E2地震作用下某連續(xù)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(jīng)濟發(fā)展和日常生活中發(fā)揮著巨大的作用，連續(xù)梁橋由于施工簡單、能夠裝配式作業(yè)等特點，在橋梁建設(shè)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(fā)，造成了大量橋梁毀壞甚至倒塌，不僅導致巨大的經(jīng)濟損失，而且給救援工作帶來了不便[1]，因此開展連續(xù)梁橋的抗震性能研究具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外學者針對連續(xù)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(shè)置不同的減震措施對連續(xù)梁橋的減隔震措施進行了研究，指出高烈度地區(qū)連續(xù)梁須通過減隔震設(shè)計達到抗震設(shè)防要求。文獻[3]通過輸入E2水平的強震，對城市連續(xù)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(lián)波形鋼腹板連續(xù)梁橋為工程背景，對其隔震設(shè)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(jié)構(gòu)受力。文獻[5]以干海子特大橋為工程背景，設(shè)置不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)工況，研究了鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計，研究結(jié)果表明合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置可以有效降低結(jié)構(gòu)地震響應。文獻[6]研究了某4跨連續(xù)梁橋鉛芯橡膠支座減隔震的分析方法，考慮結(jié)果誤差，設(shè)計時建議對規(guī)則橋梁簡化分析結(jié)果乘以1.1的安全系數(shù)。以上有關(guān)連續(xù)梁地震響應的研究，大多集中于減隔震措施及參數(shù)設(shè)置方面，但均未涉及連續(xù)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(xù)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(tài)時程分析方法從強度角度分析了該連續(xù)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(xù)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(gòu)件進行設(shè)計，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.15g，抗震措施按抗震設(shè)防烈度8度設(shè)計。

圖1 某裝配式預應力混凝土箱型連續(xù)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(xù)梁橋建立有限元分析模型。全橋由350個節(jié)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(zhuǎn)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(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)抗震規(guī)范可知，結(jié)構(gòu)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(shè)計時，較大的自振周期在一定范圍內(nèi)有助于減弱地震響應。另外，結(jié)構(gòu)自振周期是決定地震影響系數(shù)的重要因素，在相同的震級和場地條件下，當結(jié)構(gòu)自振周期與場地的特征周期越接近則水平地震影響系數(shù)越大。

表1 連續(xù)梁橋動力特性

3 地震動輸入

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計細則(JTG/TB02-01-2008)》并結(jié)合橋梁類型、橋址處場地土特性及地震設(shè)防要求，本連續(xù)梁橋為B類橋梁，場地土屬于Ⅱ類場地，按照8度抗震設(shè)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(jié)果

恒載單獨作用下的內(nèi)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(nèi)力取3條地震波作用下的最大值。表中內(nèi)力組合為恒載內(nèi)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(nèi)角度分析，最大彎矩和剪力均出現(xiàn)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(xiàn)在中墩，中墩為最大受力墩；由地震響應結(jié)果可以看出，順橋向地震響應遠大于橫橋向地震響應，設(shè)計時順橋向起控制作用。

表2 恒載的內(nèi)力

注：面內(nèi)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(nèi)力組合

4.2 抗震性能分析

本節(jié)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(gòu)件均處在彈性狀態(tài)，對比表2和表3可知，在恒載和E2地震作用下，本橋關(guān)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(jié)論

(1)該連續(xù)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(shè)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。