山區連續梁橋橫橋向抗震性能分析

肖鑒宇

摘要 為了提升山區橋梁抗震性能分析水平，文章總結了反應譜分析橋梁抗震性能的要點，并以某公路橋梁為研究對象，利用Midas Civil軟件建立抗震計算模型，從墩底剪力和主梁位移兩方面分析了橋梁在不同工況下的地震響應規律，并提出安裝鉛芯橡膠支座、安裝黏滯阻尼器等措施來改善山區連續梁橋的抗震性能，研究成果可為類似的橋梁結構建設提供科學的理論指導。

關鍵詞 連續梁橋；反應譜法；Midas Civil軟件；地震響應；減隔震

中圖分類號 U441.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0111-03

0 引言

隨著交通網絡的不斷完善，越來越多的公路向山區延伸，橋梁結構作為公路沿線的重要結構物，對其質量要求也越來越高[1]。山區地形地勢起伏大，地質條件復雜，且容易發生地震，必須充分重視橋梁結構的抗震分析。如果橋梁抗震分析方法選擇不合理或分析結果精確度不足，會導致橋梁結構抗震設計方案不合理，嚴重地導致橋梁在地震力作用下出現整體性坍塌，造成巨大的經濟損失和人員傷亡。近年來，很多學者采用數值模擬、現場監測等手段分析了橋梁抗震響應規律，但是仍未形成統一的理論來指導橋梁設計和施工。因此，進一步研究山區連續梁橋的抗震性能具有重要的工程意義。

1 連續梁橋地震反應譜分析

1.1 抗震設防目標

根據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01—2020，下簡稱《規范》），山區公路橋梁可按公路等級、橋梁長度、修復難易程度等劃分為四類：A類橋梁、B類橋梁、C類橋梁、D類橋梁。大部分橋梁都是采用兩水準抗震設防標準，即在E1地震作用（重現期較短）下基本無損傷，震后可正常使用；在E2地震作用（重現期較長）下，A類橋梁局部輕微損傷狀態，震后簡單修復后可繼續使用。B類、C類橋梁嚴重損傷，震后經臨時加固后可應急使用[2]。

1.2 反應譜選用

反應譜法是一種簡化動力計算方法，通過計算離散后質點體系的地震響應參數，得到不同工況下的反應譜曲線。同時，利用數學統計方法，歸納出標準反應譜曲線。目前，反應譜曲線類型多樣，在實際項目中大多數采用“周期－加速度”反應譜曲線。由于地震波具有明顯的隨機性，每次地震得到的反應譜曲線都不同。即使同一次地震中，因場地類型不同（影響最大）、與震中距離不同等，所繪制的反應譜曲線也有很大差異。一般情況下，場地剪切波速越大、離震中距離越小，反應譜曲線主峰越尖細，峰值也偏左。

由上可知，連續橋梁抗震反應譜可按下述步驟選用：測定橋址處的剪切波速→劃分場地類型→選擇橋址處的地震基本烈度、動峰值加速度，特征周期等參數，代入反應譜公式→繪制地震反應譜曲線。

1.3 反應譜組合

連續梁橋地震反應譜的組合包括振型組合、方向組合，其中振型組合是將同方向的各個振型地震作用組合，得到橋梁在同方向的地震響應；方向組合是將各個方向地震響應組合，得到橋梁在地震作用下的總響應[3]。

2 連續梁橋抗震分析模型建立

2.1 工程概況

研究對象為某山區連續梁橋，上部結構為C50混凝土澆筑的連續小箱梁，跨徑組合為4×31 m，設計荷載為汽車-20、掛-100，橋面寬25.5 m，橋面鋪裝層厚10 cm（4 cm細粒式混凝土AC-13C+6 cm細粒式混凝土AC-20C），橋臺臺后填土為密實性砂土，橋臺下部結構為柱樁，并在樁周加松散砂性土來提高其水平柔度，橋墩采用直徑1.5 m的雙柱式墩，具體參數見表1。同時，上部結構與蓋梁之間的支座采用板式橡膠支座，每片小箱梁下設兩個支座，共安裝了24個支座。

由施工圖勘察資料可知，橋址處的地層從上至下為雜填土、粉質黏土、黏土、中密細砂、基巖，屬于Ⅰ類場地，抗震設防烈度為Ⅶ度，動峰值加速度取0.15 g，特征周期取0.35 s。

2.2 基本假定

連續梁橋整體受力機理復雜，地震響應影響因素多，在分析抗震性能時不可能全部考慮。綜合考慮計算效率和計算精確度，對橋梁結構作出以下假設[4]：第一，不考慮搭板、翼墻等對橋梁上部結構受力的影響；第二，忽略樁基礎、橋墩等下部結構對橋梁抗推剛度的影響；第三，不考慮對順橋向抗推剛度的影響；第四，不考慮基礎沉降、縱向受力鋼筋、橫向箍筋等對連續梁橋抗震性能的影響。

2.3 具體模擬方法

2.3.1 連接關系

利用Midas Civil軟件中內置的梁格法來建立抗震計算模型，其中主梁、樁基、橋墩用梁單元模擬，下部結構樁土相互作用用“土彈簧”，主梁與橋臺間的接觸關系用剛性連接模擬，樁基底部固結處理。此外，板式橡膠支座的模擬考慮了三種工況：工況1考慮橫向擋塊的剛性約束作用，用線性單元模擬；工況2不考慮橫向擋塊的約束作用，用線性單元模擬；工況3不考慮橫向擋塊的約束作用，但考慮支座的滑動效應，用雙線性單元模擬。最終，該連續梁橋共劃分了585個節點、658個單元，如圖1所示。

2.3.2 地震波輸入

橋梁在不同地震波下的響應規律有明顯差別，甚至會高達幾十倍，故準確的地震波是分析連續梁橋抗震性能的基礎。地震波選取方法主要有2種[5]：一是利用橋梁擬建場地上的地震監測數據。該方法數據較準確，但在實際項目中很難得到原始地震波資料，且以前發生的地震波與以后要發生的地震未必完全相同；二是人工合成地震波。即按《規范》先確定反應譜曲線，再以反應譜曲線作為擬合目標，人工合成地震波。大量工程實踐表明，連續梁橋抗震性能分析選擇的地震波數量不宜過多或過少。地震波過少，強烈抗震性能分析的準確度不足，反之，會花費大量的計算時間，抗震分析經濟性差。

2.3.3 橋梁其他荷載

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015），除地震作用外，山區連續梁橋在進行抗震分析時還需要考慮各種可變作用、永久作用等。永久作用包括結構自重、預應力、混凝土收縮徐變作用，可變作用包括汽車荷載、汽車沖擊力、汽車制動力及升溫和降溫所產生的溫度應力。

3 連續梁橋的地震響應分析

3.1 初始狀態下橋梁地震響應

3.1.1 墩底剪力

利用Midas Civil軟件分別計算了該連續梁橋在工況1、工況2、工況3下的墩底剪力變化規律，計算結果見圖2。

由圖2計算結果可知：連續梁橋墩柱在工況1下所承擔的地震力最大，工況2次之，工況3最小。以工況1為基準，工況2由于不考慮橫向擋塊對支座的約束作用，橋梁墩底剪力峰值減小了約55%。工況3因考慮了支座的滑動效應，當地震力＞支座和梁底的滑動摩擦力，支座滑動，會起到一定的減隔震作用，從而降低了墩底剪力。

3.1.2 主梁位移

在地震力不變的條件下，利用Midas Civil軟件計算了該連續梁橋在不同工況下的主梁橫橋向位移變化規律，計算結果見圖3。

圖3計算結果表明：工況1考慮了橫向擋塊的約束作用，主梁位移最小，僅0.086 m，工況2的主梁位移最大，達到了0.16 m，比工況1提高了36.1%。同時，工況3下支座與梁底由摩擦滑動，可減小地震力的作用，位移相對于工況2減小了20.5%。

3.2 采取橫橋向減隔震措施后橋梁地震響應

在地震力作用下，連續梁橋的橫向受力大，如果僅通過增大橫橋向的剛度來減小主梁橫橋向位移是不科學的，這會使橋墩墩底產生較大反力。該文立在連續梁橋上、下部結構之間設計耗能裝置或阻尼器，以耗散地震力產生的能量，從而提高橋梁抗震性能。

3.2.1 橫向減隔震措施

（1）鉛芯橡膠支座。鉛芯橡膠支座是在橡膠支座中灌入鉛芯，利用鉛芯的屈服變形來提高支座的抗震性能。在豎向荷載作用下，鉛芯橡膠支座中的薄鋼板可以約束橡膠層變形，支座豎向變形小。在地震期間，地震加速度所產生的水平力施加在支座上，鉛芯逐漸進入塑性狀態而屈服，形成滯回環。此時，橡膠層可為鉛芯提供水平恢復力，提升支座的阻尼性能。由此可知，影響鉛芯橡膠支座減隔震能力的主要參數有鉛芯屈服強度、支座屈服前、屈服后的剛度。

（2）黏滯阻尼器。黏滯阻尼器包括活塞、油缸、節流孔等部件，是利用活塞前后的壓力差使油流過節流孔所產生的阻尼力來耗散地震能量。在地震力作用下，隨活塞速度的增大，黏滯阻尼器所產生的阻尼力也不斷增大，兩者具體關系可用式（4）表達：

F=Cv^α（4）

式中，F——阻尼力；C——阻尼系數，無量綱；v——活塞運動速度；α——阻尼器速度指數。

3.2.2 橫橋向減隔震效果評價

在橋梁模型不變的條件下，利用Midas/civil軟件計算了鉛芯橡膠支座和黏滯阻尼器設置后的主梁橫向位移，見表2。

由表2可知，連續梁橋結構在設置減隔震支座后，不同橋墩編號處的主梁位移都有明顯的降低，1～5墩所對應的主梁橫向位移分別減小了45.8%、44.6%、44.0%、43.9%、48.9%。

4 結論

該文以反應譜法為基礎，利用Midas Civil軟件建立計算模型，分析了橋梁在不同工況下的地震響應規律，得到了以下幾個結論：

（1）反應譜法是一種簡化動力計算方法，在分析橋梁抗震性能前要對反應譜的振型、方向進行組合。

（2）建立連續梁橋結構時可采用梁格法，并準確輸入橋址處的地震波。

（3）在地震力作用下，工況3因考慮了支座滑動摩擦力，使得墩底剪力最小，梁體位移相對于工況2也有降低。

（4）為了提升連續梁橋的橫向抗震性能，可將普通支座替換為鉛芯橡膠支座，并安裝黏滯阻尼器。

參考文獻

[1]趙秋紅， 王晴薇， 董碩， 等. 整體式斜交連續梁橋抗震性能[J]. 交通運輸工程學報， 2022（6）： 232-244.

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[3]曹颯颯， 袁萬城. 多聯連續梁橋橫橋向多模態推倒分析方法[J]. 同濟大學學報（自然科學版）， 2014（9）： 1305-1312.

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