大跨连续刚构桥抗震性能分析

2017-08-07陈付雷郭永平张亚军

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：刚构桥震动桥墩

陈付雷，郭永平，张亚军

（1.广东罗阳高速公路有限公司,广东广州 510100；2.中交公路规划设计院有限公司宁夏分公司,宁夏银川 750021；3.宁夏大学土木与水利工程学院,宁夏银川 750021）

大跨连续刚构桥抗震性能分析

陈付雷1，郭永平2，张亚军,3

现以一座连续刚构桥为背景,建立空间有限元模型,采用反应谱法和时程分析法对其地震响应进行分析,并对该桥的抗震性能进行了验算。其计算方法和结果可为同类桥型提供有益借鉴。

连续刚构桥；反应谱分析；时程分析；抗震性能

0 引言

随着我国公路基础交通设施的建设,大量公路桥梁在藏东南、滇西北等地震高烈度地区修建。由于地形复杂、山高坡陡,结构受力合理,跨越能力大的高墩大跨连续刚构桥成为山区桥梁主要形式之一[1]。山区多跨连续刚构桥大多跨越沟谷,同一联桥墩墩高差别较大,具有不同抗推刚度,在地震时各墩受力情况较为复杂[2]。

现以一座山区连续刚构桥为例,对其结构动力特性进行分析,采用反应谱法和时程分析法对其地震响应进行分析,并进行了抗震性能验算。本文的计算思路、方法可为类似桥梁的抗震设计计算提供参考和借鉴。

1 桥梁概况

该桥上部结构采用变截面预应力连续梁（见图1）,主桥跨径为（60+110+60）m,单箱单室截面,桥宽12.50 m,箱底宽6.5 m,两侧悬臂长3.0 m,全宽12.5 m。箱梁底板水平,顶面设置2%横坡,通过梁腹板高度调节,腹板保持铅直。跨中梁高2.8 m,中支点处梁高6.5 m,梁高按1.8次变化。。主墩采用组合式空心薄壁墩,最大墩高91 m,过渡墩采用等截面空心墩,基础采用桩基础。

图1 总体布置图

2 有限元模型的建立及动力特性分析

2.1 有限元模型的建立

依据设计图纸,采用Midas Civil有限元程序,建立三维有限元动力计算模型进行抗震性能分析,计算模型以纵桥向为X轴,横桥向为Y轴,竖桥向为Z轴。主梁、桥墩均采用空间梁单元模拟,桩土相互作用采用承台底设置6个自由度的弹簧模拟。此外,在过渡墩处施加引桥恒载以考虑邻连结构的影响。动力计算有限元模型见图2所示。

图2 有限元模型

2.2 动力特性分析

振型分析采用子空间迭代法,该桥的前五阶频率、周期及振型列于表1。

该桥的前五阶振型主要以全桥横向振动为主,表明该桥横桥向刚度较纵桥向弱。结构纵向振动出现较晚,处于地震动反应谱的中短周期,地震时结构纵向需承担较大的地震力。

表 1前5阶振型振动特性一览表

3 地震动输入及地震响应分析

3.1 地震动反应谱

根据《中国地震动参数区划图》[3],水平向设计基本地震加速度峰值为0.3 g,场地类别为II类,设计特征周期为0.45 s,结合《公路桥梁抗震设计细则》[4]的要求,该桥抗震设防类别为B类桥梁,对应E1和E2地震水平反应谱超越概率分别为50 a超越概率63%（重现期100 a）和50 a超越概率2.5%（重现期约2 000 a）。竖向设计加速度反应谱由水平向设计地震动加速度反应谱乘以竖向/水平向谱比函数R。该桥桥址为基岩场地,R=0.65。

3.2 地震动时程

时程分析的结果依赖于地震动输入,如地震动输入选择不好,则可能导致结果偏小。在对桥梁进行E2地震作用（重现期2 000 a）的时程分析时,依据08细则、欧洲规范和美国AASHTO规范的规定,采用与设计反应谱匹配的地震动输入时程,采用3组地震波参与设计时取反应的最大值验算,采用7组地震波参与设计时取反应的平均值验算。在该桥计算中,选取了与E2地震动匹配的3条地震波,其中2条为人工合成波,1条为从美国太平洋地震中心强震数据库中（PEER）选取的实际地震波。3条地震波与设计反应谱的匹配关系如图3所示。由图3可知,三条地震波与规范反应谱在短周期和中长周期都有较好的匹配,可反映规范设计谱的频谱特性。E1地震作用下的地震动输入可通过E2地震动调幅获得。

图3 E2水平向设计谱及地震波匹配关系曲线图

3.3 地震响应分析

E1和E2地震作用下的结构地震响应分析分别采用反应谱法和时程分析法,鉴于篇幅,表3仅列出了反应谱分析法计算得到的E1地震作用下墩底截面的地震响应。

由于墩高较大,各墩纵横向地震反应总体较大,横向地震响应略大于纵向。纵桥向地震响应发生在主墩中相对较低的桥墩（3号墩）,而横桥向最大地震响应发生在最高墩。

4 抗震性能分析

4.1 分析方法

依据《公路桥梁抗震设计细则》性能要求与抗震验算中采用的抗震验算方法,首先将桥墩截面划分为纤维单元,采用实际的钢筋和混凝土应力-应变关系分别模拟钢筋和混凝土单元,然后采用数值积分法进行截面弯矩-曲率分析,得到图4所示的截面弯矩-曲率曲线。图中My为截面最外层钢筋首次屈服对应的初始屈服弯矩；Meq为根据M-φ曲线利用“等能量法”求得的截面等效抗弯屈服弯矩。

表 2 E1地震作用下墩底截面的地震响应一览表

图4 弯矩-曲率曲线图

4.2 验算思路

该桥按规范设防分类为B类桥梁,需满足“小震不坏、大震不倒”的抗震设防目标。由于该桥桥墩较高,为满足桥墩稳定性的要求,截面尺寸设计较为保守。为了解桥梁结构实际具有的抗震性能,验算时拟先对高一级的地震动水准进行验算,看是否满足对应承载能力。

如验算时首先假定结构在中震作用下（E1重现期475 a）结构保持为弹性状态,对其进行结构计算和验算,若结构抗震性能满足“中震不坏”,则自动满足该桥“小震不坏”的抗震设防目标；假定结构在大震作用下（E2重现期2000 a）整体保持在弹性或有限塑性状态,对其进行结构计算和验算,若结构抗震性能满足“大震可修”,则自动满足该桥“大震不倒”的抗震设防目标。具体设防水准对应的抗震性能验算指标如下:

（1）在E1地震作用下（重现期约475 a）,桥墩截面和桩基截面要求其在地震作用下的截面保持弹性,截面弯矩应小于截面初始屈服弯矩My。

（2）在E2地震作用下（重现期约2 000 a）,桥墩截面和桩基截面要求其在地震作用下结构整体反应还在弹性范围,截面弯矩应小于截面等效抗弯屈服弯矩Meq。

4.3 抗弯能力验算

采用美国伯克利大学开发的截面分析程序XTRACT进行截面划分及截面弯矩-曲率关系计算。验算时,桥墩截面设计荷载采用恒载+地震荷载作用下的最不利内力组合效应（取三条时程波中的最大值）。表3和表4分别为恒载+E1地震和恒载+E2地震作用下,桥墩截面在纵桥向和横桥向的验算结果。由验算结果可知,在E1、E2计算工况下,各控制截面能力需求比均大于1,但过渡墩和主墩单肢墩墩底截面能力需求比略大于1,是整个结构的薄弱截面。总体来看,算例桥梁具有“中震不坏、大震可修”的抗震性能,高于设计规范[4]对B类桥梁“中震不坏、大震可修”的抗震设防要求。