大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥动力特性及抗震性能分析

李志聪

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050011）

大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥动力特性及抗震性能分析

李志聪

（河北省交通规划设计院，河北 石家庄 050011）

波形钢腹板PC组合箱梁桥具有自重轻、预应力效率高、施工周期短、造型美观等诸多优点，同时其独特的结构形式使结构各组成部分受力明确，其应用范围正逐步向变截面大跨度梁桥扩展，在我国拥有较好的发展前景。

波形钢腹板；箱梁桥；动力特性；抗震性能

波形钢腹板PC组合箱梁桥是20世纪80年代早期出现的一种新型组合结构桥梁，具有自重轻、预应力效率高、施工周期短、造型美观等诸多优点；同时，其独特的结构形式使结构各组成部分受力明确。波形钢腹板PC组合箱梁桥在法国、日本等国家得到了较广泛的研究和应用，目前波形钢腹板PC组合箱梁桥在我国同样展现出蓬勃的发展前景，其应用范围正逐步向变截面大跨度梁桥扩展，结构更加复杂。本文将以邢衡高速南水北调大桥为例，研究大跨径波形钢腹板钢腹板PC组合箱梁桥动力特性及抗震性能。

1 工程概述

本桥位于邢台至衡水高速公路邢台段上，全长260m，跨径组合为（70+120+70）m，桥梁跨越南水北调渠，桥轴线与南水北调渠呈90°。上部结构为（70+120+70）m的波形钢腹板预应力混凝土变截面连续箱桥，单幅桥箱梁宽度为14.012m，箱梁底板宽度为7.5m。梁高和底板厚度均以2次抛物线的形式由跨中向根部变化，跨中梁高为3.5m，底板厚度为28cm，根部梁高为7.5m，底板厚为80cm。箱梁翼缘悬臂为325.6cm，悬臂端厚度为20cm，悬臂端根部厚度为70cm。下部结构主墩采用矩形实体墩，横桥向宽度为7.5m，顺桥向宽度为4.0m，承台平面尺寸为12m（横桥向）×12m（顺桥向），厚度为3.0m，承台下设置3×3共9根直径为1.8m的群桩基础；桥台采用肋板台，桩基础。

邢衡高速南水北调大桥的桥型布置如图1所示。

2 动力特性分析

2.1 结构建模

对结构建立正确的模型，是进行结构分析的首要步骤，模型是否完整和控制参数是否正确直接影响到计算结果和数据的输出。所以，在本文中针对大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥运用桥梁有限元计算软件建立全桥的动力模型。计算采用MIDAS CIVIL计算程序，用空间三维梁单元离散桥梁结构的主梁、桥墩、承台、桩基础，用土弹簧模拟桩土相互作用。桥梁动力计算模型见图2。

2.2 抗震模型中的特征参数

抗震模型中的特征参数包括如下几个方面：

a）模型中梁体和墩柱采用空间杆系单元模拟，单元质量采用集中质量代表；

b）抗震设防类别B类，抗震重要系数为0.5（E1）和1.7（E2），抗震设防烈度7度，设计基本地震动加速度0.10g；

c）根据土层平均剪切波速，场地类别为Ⅳ类，特征周期0.4s；

d）阻尼比系数取0.05s；

e）使用LANCZOS迭代方法进行特征值分析。

2.3 动力特性分析结果

对于桥梁抗震性能的分析最基础最直接的方法就是对桥梁的动力特性进行分析，从已建好的模型运行分析结果中提取出主要数据进行分析，以了解结构在不同条件下的动力特性。由有限元软件计算可得到该大跨径波形钢腹板PC组合箱梁桥的前5阶振型的频率和周期（见表1）。

由表1可以看出，桥梁基本自振频率为0.91HZ，基本周期为1.10s，基本振型为主梁竖向正对称弯曲振动。桥梁结构典型振型图见图3、图4。

3 地震作用分析

3.1 减隔振设计

目前抗震设计有延性设计和减隔振设计两个设计思路，同时为保证桥梁结构的经济性和抗震的安全性，一般采用延性设计，即允许桥梁结构在强震下进行塑性工作状态，在预期的部位（通常选择在墩顶和墩底）出现塑性铰以耗散能量，但不允许出现剪切破坏。本桥下部结构的墩柱很矮，仅1.6m。按照新的《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02—01—2008）第7.3.2条，对于计算长度与矩形截面计算方向的尺寸之比小于2.5（或计算长度与圆形截面直径之比小于2.5）的矮墩，顺桥向和横桥向E2地震作用效应和 永久作用组合后，应按现行的公路桥涵设计规范相关规定验算桥墩的强度。本桥在概念设计阶段采用反应谱方法，对本桥的抗震性能作出初步评价，确定采用减隔振设计。目前国内外常用的减隔振装置有高阻尼橡胶支座、铅芯橡胶支座、粘滞阻尼器、金属阻尼器和摩擦摆式支座。经过使用性能、经济性比选，最终选用JZPZ型摩擦摆锤式盆式橡胶减震支座。

3.2 摩擦摆锤式减震支座结构和参数

摩擦摆隔震装置在1985年由美国的Zayas等人提出，同年摩擦摆支座（FPB）由美国EPS公司发明。摩擦摆支座隔震消能原理是利用滑动面的设计延长结构的振动周期，以大幅度减少结构因地震作用而引起的放大效应，通过支座的滑动面与滑块之间的滑动来达到消耗地震能量（见图5）。此外，其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢复原位。摩擦摆支座造价低、施工简单、承载能力高，除了具有一般平面滑动隔震系统的特点外，还具有良好的稳定性、复位功能和抗平扭能力。

摩擦摆支座主要包括用限滑动螺栓、不锈钢材料的球形滑面滑槽、涂有Teflon材料的滑块以及用来与上部结构相连的盖板，其构造如图6所示。摩擦摆支座通过球形滑动表面的运动使上部结构发生单摆运动，隔震系统的周期和刚度通过选取合适的滑动表面曲率半径来控制，阻尼由动摩擦系数来控制。限滑动螺栓剪断前，摩擦摆隔震支座不发生滑动，在其支撑下的隔震桥梁结构与普通桥梁结构相同；当地震将限滑动螺栓剪断后时，摩擦摆隔震支座发生位移。地震中摩擦摆支座的恢复力模型可简化成图7所示的双线性滞回模型。

在图7中，μ为动摩擦系数；W为竖向荷载；Ki为初始刚度，Ki=μW/Dy；Kfps为摩擦摆支座的摆动刚度，Kfps=W/R；R为曲率半径，按式（1）计算；Dy为屈服位移；Dd为极限位移。

式中，T为摩擦摆系统的隔震周期。

3.3 计算使用的地震波

根据《公路桥梁抗震设计细则》要求，设计基本地震动加速度为0.10g，场地特征周期为Ⅳ类，重要性系数C1=1.7，场地系数Cs=1.4。计算采用5条人工地震动及强震记录波形。地震波形见图8～图12。

3.4 分析结果

经计算，确定摩擦摆支座的曲率半径R=1.0m，结构的隔震周期T=2.0s，约为隔震前结构周期（0.64s）的3倍。采用此减隔震方案，摩擦摆支座的顺桥向最大水平滑动位移为95mm，相应的竖向位移为4.5mm；横桥向最大水平滑动位移为40mm，相应的竖向位移为1mm。墩底剪力和弯矩是采用普通支座情况下的20%～40%，有很好的减隔振效果。

4 结语

本桥按《公路桥梁抗震设计细则》进行了抗震设计，采用摩擦摆式支座进行减隔振设计，该方案经过有限元软件分析计算具有很好的减隔振效果，地震作用下，通过动能转化成势能来吸收大部分地震能量，将上部结构传递至桥墩的地震力减至最小，有效的保证了桥墩和桩基的安全；而且其特有的圆弧滑动面具有自动复位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢复原位。

[1]刘岚，崔铁万.本谷桥的设计与施工：采用悬臂架设施工法的波形钢腹板预应力混凝土箱梁桥[J].国外桥梁，1999，（3）：18-25.

[2]陈宝春，黄卿维.波形钢腹板PC箱梁应用综述[J].公路，2005，（7）：45-53.

[3]任红伟，陈海波，宋建永.波形钢腹板预应力组合箱梁桥的设计计算分析[J].公路，2008，25（8）：92-96.

[4]吴继峰，汤意，吴萍.卫河大桥波形钢腹板箱梁的设计[J].公路，2010，（1）：57-62.

[5]崔冰，董萌，李准华.大跨度变截面波纹钢腹板PC连续梁桥的设计[J].土木工程学报，2011，（9）：81-86.

[6]包龙生，李艺明，于玲，宋东雯.大跨度预应力混凝土桥梁动力特性及抗震性能研究[J].北方交通，2012，（10）：52-54.

[7]马军伟.新京航运河大桥抗震性能分析[J].中国市政工程，2011，（2）：24-27.

Analysis on Dynamic Characteristics and Seismic Performance of Box Girder Bridge with PC Combination about Long Span Corrugated Steel Webs

LI Zhi-cong

(Hebei Province Traffic Planning and Design Institute,Shijiazhuang 050011,China)

Box girder bridge with PC combination about corrugated steel webs has some advantages,such as a light weight,prestressed high efficiency,short construction period,handsome in appearance,etc.While it has the clear structure force in integral part because of its unique structural forms.It is applicated in variable crosssection large span girder bridge,and has good development prospects in China.

corrugated steel web;box girder bridge;dynamic characteristic;seismic performance

U442.55

A

1002-4786（2013）09-0082-04

2012-11-30