橫斷山區(qū)高速公路連續(xù)剛構橋抗震性能研究

余強　劉蕾蕾

【摘 要】文章以四川省南部橫斷山區(qū)某高速公路連續(xù)剛構橋為例，利用有限元數(shù)值模擬軟件，建立了八度區(qū)墩高超過80 m的主橋空間動力計算模型，輸入人工合成工程場地地震動時程曲線，分析了主橋前十階模態(tài)振型的周期、頻率及特征，研究了主橋在E1、E2地震作用下的抗震性能，研究成果可供同地區(qū)高速公路橋梁設計計算提供參考。

【關鍵詞】橫斷山區(qū); 高速公路; 連續(xù)剛構橋; 動力特性; 抗震性能

【中圖分類號】U442.5+5【文獻標志碼】A

近年來，四川省高速公路建設逐漸推向西部、南部高烈度橫斷山區(qū)，區(qū)域地表起伏大，地形崎嶇，峰巒重疊，河谷幽深，嶺谷相間，高差懸殊，高速公路橋梁往往面臨高墩、大跨、高烈度等難題。連續(xù)剛構橋具有墩頂固結，可不設置支座和臨時固結措施，可以減小主梁跨中正彎矩、截面尺寸，減輕上部結構自重，增大主梁跨徑，多跨連成整體，跨越能力強，抗震性能好等優(yōu)點，是高烈度山區(qū)高速公路大跨橋梁形式的較優(yōu)選擇。針對連續(xù)剛構橋的抗震性能，已有學者開展了相關工程實踐和研究，取得了一些有價值的成果[1-5]。本文在已有研究成果基礎上，以四川省南部橫斷山區(qū)某高速公路高烈度、高墩大跨連續(xù)剛構橋為例，利用有限元數(shù)值模擬，分析該橋的動力特性，列出前十階振型的周期、頻率及主要振形特征，研究其在E1、E2地震作用下的抗震性能，研究成果可供同地區(qū)高速公路橋梁設計計算提供參考。

1 橋梁模型

1.1 橋梁概況

四川省南部橫斷山區(qū)某高速公路大橋全長941 m，引橋為30 m、40 m跨徑的預應力混凝土簡支T梁，主橋為（70+130+70） m預應力混凝土連續(xù)剛構。主橋上部結構為箱梁，寬12.6 m，頂板等厚0.3 m，底板按1.8次拋物線由0.32 m增大到1.2 m，中跨跨中合龍段梁高3.0 m，墩頂截面0號塊梁高8.0 m，梁高按1.8次拋物線變化，如圖1、圖2所示。主橋橋墩為空心薄壁墩，墩高分別為84 m、91 m，下部結構為承臺樁基礎。該橋設計荷載為公路—I級，抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0.2g，阻尼比取0.05。該橋抗震設防類別為B類，場地卓越周期為0.45 s。

1.2 橋梁動力計算模型

采用Midas Civil有限元軟件建立主橋的空間動力計算模型，如圖3所示，模型以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。主橋上部結構、橋墩、承臺及樁基均采用空間梁單元模擬，二期恒載等效為線質量均勻施加主梁上，并將恒載全部轉化為質量。墩頂與上部結構剛性連接，承臺與樁基剛性連接，樁基底部固結，并設置土彈簧模擬樁土作用。

地震響應分析時，利用等代土彈簧進行樁土作用模擬，當僅考慮樁土共同作用的彈性作用時，使用m法進行計算。由于地震為偶然荷載，對于50 a超越概率10 %地震作用下，材料強度取規(guī)范設計值;對于50 a超越概率3 %地震作用下，材料強度取規(guī)范標準值，且不再考慮材料的安全分項系數(shù)。

1.3 地震動輸入

采用人工合成工程場地抗震設計地震動時程曲線，如圖4、圖5所示，分別為50 a超越概率10 %、3 %的3條不同隨機相位的水平向加速度時程波，地震輸入方式為縱向、橫向，對主橋進行時程分析，并取3條波的最大值作為計算結果。橋墩控制截面取墩頂和墩底位置。

2 橋梁動力特性分析

主橋動力計算前十階模態(tài)振型的周期、頻率及特征描述如表1所示，其中第一階振型為反對稱豎彎，第二階振型為對稱側彎，第三階振型為反對稱側彎，見圖6～圖8。

3 橋梁抗震性能分析

截面等效彎矩是將實際截面彎矩—曲率曲線按照能量等效原則，等效為彈塑性曲線，如圖9中曲線。等效彎矩Meq為圖9中上下兩部分陰影面積相等求得。圖9中，My為截面在最不利軸力狀態(tài)下，結構最外側鋼筋首次屈服對應的初始屈服彎矩;Mu則為截面極限彎矩，即把實際彎矩—曲率曲線等效為圖中所示彈塑性雙線性恢復模型時的等效抗彎屈服彎矩[6]。

按規(guī)范規(guī)定對主橋關鍵截面進行抗震性能驗算，將橋墩截面劃分為纖維單元，混凝土和鋼筋分別劃分單元，并采用實際的應力-應變關系曲線，利用截面數(shù)值積分法進行彎矩-曲率分析，并考慮軸力影響，最終得到圖9所示的彎矩-曲率曲線[7]。

3.1 E1地震作用下結構抗震性能分析

在E1地震作用下，分別輸入縱向、橫向地震波，荷載組合為恒載+地震荷載，彎矩需求為恒載彎矩+地震彎矩，最不利軸力為恒載軸力+地震軸力。根據抗震性能目標，在E1地震作用下，截面的抗彎能力取初始屈服彎矩，順橋向、橫橋向橋墩墩頂、墩底抗震性能計算結果見表2、表3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，順橋向、橫橋向橋墩關鍵截面地震彎矩均小于初始屈服彎矩My，抗震能力需求比均大于1，整個截面保持在彈性，結構基本無損傷，滿足E1地震水平下的性能目標。

3.2 E2地震作用下結構抗震性能分析

在E2地震作用下，分別輸入縱向、橫向地震波，荷載組合基本與E1計算一致。根據抗震性能目標，在E2地震作用下，截面的抗彎能力取等效屈服彎矩。順橋向、橫橋向橋墩墩頂、墩底抗震性能計算結果見表4、表5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，順橋向、橫橋向橋墩關鍵截面地震彎矩均小于等效屈服彎矩Meq，抗震能力需求比均大于1。從理想彈塑性雙線性模型看，當?shù)卣饛澗匦∮诘刃Э箯澢澗豈eq，結構整體仍處于彈性范圍。實際上，在地震過程中，對應于等效抗彎屈服彎矩Meq的截面，部分鋼筋已進入屈服階段。相關研究表明：截面的裂縫寬度可能會超過容許值，混凝土保護層損傷的彎矩為截面極限彎矩Mu，由于Meq≤Mu，混凝土保護層仍然完好。地震過程往往持續(xù)時間較短，震后由地震引起的裂縫，在結構自重作用下，一般可以閉合，不影響結構使用，滿足E2作用下局部可發(fā)生可修復的損傷，地震發(fā)生后，基本不影響車輛通行的性能要求。

4 結束語

川南橫斷山區(qū)地震烈度高、地表起伏大、深切河谷、橫坡陡峻，是該區(qū)域高速公路橋梁設計面臨的難題。連續(xù)剛構橋以較強的跨越能力和抗震性能，往往作為高烈度深切河谷的首選橋型。本文以橫斷山區(qū)某高速公路連續(xù)剛構橋為例，較為詳細的介紹了八度區(qū)墩高超過80 m的主橋動力計算模型的建立，提供了人工合成工程場地地震動時程曲線，分析了主橋前十階模態(tài)振型的周期、頻率及特征，研究了主橋在E1、E2地震作用下的抗震性能，研究成果可供同地區(qū)高速公路橋梁設計計算提供參考。

參考文獻

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[2]張清平， 張德海. 大跨度連續(xù)剛構橋抗震響應特性評估研究[J]. 公路工程， 2020， 36（5）：77-80.

[3]劉懷林， 鄭罡. 大跨徑連續(xù)剛構橋抗震分析及抗震性能評價[J]. 公路交通技術， 2009， 6：81-84.

[4]吳大宏， 賈繼祥. 考慮樁土作用的高墩大跨連續(xù)剛構橋梁穩(wěn)定性分析[J]. 四川建筑， 2020， 40（3）：154-162.

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[6]魯思寧. 山區(qū)高墩混凝土連續(xù)剛構橋抗震魯棒性研究[D]. 成都：西南交通大學， 2018.

[7]魯小會. 高墩預應力連續(xù)剛構橋抗震分析與減隔震研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2017.

[定稿日期]2021-04-22

[作者簡介]余強（1972～），男，本科，高級工程師，從事橋梁工程設計研究工作。

[通信作者]劉蕾蕾（1982～），男，碩士，高級工程師，從事橋梁工程設計研究工作。