高烈度区简支变连续梁桥抗震性能研究

蒋兴明

(新疆交通建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830021)

0 引言

地震是一种突发性的危及人民生命财产安全的自然灾害，而我国位于世界两大地震带之间[1]，属于世界上地震多发地国家。随着我国交通事业的飞速发展，高烈度地震区高墩桥梁的建设也在逐渐增多，桥梁作为交通的生命线[2]，桥梁抗震问题亦成为制约这些高烈度地区交通事业发展的难题。本文以一座位于8度烈度地区的预应力简支变连续箱桥梁为例，进行非线性时程分析，研究高烈度地区连续梁桥的抗震性能[3]。

1 工程背景

该桥上部结构采用7×(4×30)m装配式预应力混凝土箱形连续梁，桥梁全长847 m，桥梁正宽14 m，全幅采用4片预制梁，梁高160 cm。下部结构桥墩采用柱式墩、薄壁式墩，桥台采用柱式台；基础分别为扩大基础、钻孔灌注桩基础。桥址处水平向地震动峰值加速度为0.2 g，地震基本烈度为Ⅷ度，属于强震区，抗震设防等级9度。根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)[4]，本桥抗震设防类别为B类。该桥桥墩高度多为40 m左右，属于高墩桥梁，本文选取桥墩最高的一联作为研究对象，桥型布置图如图1所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 计算模型

本文选用桥墩最高的一联作为研究对象，采用通用有限元分析软件CSIBridge建立有限元模型，主梁采用C50混凝土，桥墩、盖梁采用C40混凝土，桩基础、承台采用C30混凝土，计算模型的梁体和墩柱采用空间梁单元模拟，二期铺装采用线荷载进行模拟，作用于主梁上，墩柱和梁体的单元划分反映结构的实际动力特性；混凝土结构的阻尼比取0.05；支座单元正确反映支座的力学特性。

依据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)[4]，该桥抗震级别较高，采用“非线性动力时程分析方法”进行桥梁减隔震动力分析[4]，采用瑞利阻尼。

为研究桩基的桩-土结构作用对连续梁桥抗震性能的影响，本文分别建立了两个有限元模型：模型A不考虑桩-土相互作用，如图2所示；模型B考虑桩-土相互作用，将桩基离散成684个单元，在桩基侧向施加土弹簧采用土弹簧模拟，土弹簧刚度采用“m”法确定[6]，墩底固结，如图3所示。

图2 模型A图

图3 模型B图

3 振型结果分析

桥梁动力特性分析是研究桥梁抗震的基础[6]，取该桥前200阶振型进行迭代计算，并进行自振特性的分析。如下表1分别列出了模型A和模型B的前五阶频率和振型。

表1 自振振型分析结果表

由表1可以得出：

(1)全桥的振动形式以顺桥向、横桥向振动为主，第一阶振动为横桥向偏移，说明桥梁整体横向刚度较弱，应加强桥梁横向约束。

(2)模型A的振动频率高于模型B，说明考虑桩-土相互作用使结构整体变柔、自振周期变长，进而增大了墩顶位移，降低了墩底破坏的可能性，因此在高烈度地区对于混凝土连续梁桥的抗震分析，考虑桩-土结构相互作用是非常有必要的。

4 减隔震动力时程分析

4.1 支座方案

由于该桥位于Ⅷ度地震烈度区，本着“安全、科学、合理、经济、环保”的原则，对该桥进行了减隔震设计，其中支座采用HDR型高阻尼减震橡胶支座配合以LNR型水平力分散型橡胶支座，支座参数如表2所示。为研究高阻尼减震橡胶支座的抗震性能，本文选用普通GYZ板式橡胶支座作为比选方案，对其抗震性能进行比较分析。模型1过渡墩采用LNR型水平力分散型橡胶支座，2#、3#、4#墩采用HDR型高阻尼减震橡胶支座，支座参数如表2所示；模型2中间墩采用GYZ普通板式橡胶支座，过渡墩采用GYZ滑板式橡胶支座，其中3#墩为制动墩[7]，模型1和模型2均考虑桩-土结构相互作用。

表2 高阻尼支座参数表

4.2 地震动输入

根据该桥地震烈度和场地土类别，采用与场地场址条件相近的天然地震波，经调整后得到与设计加速的反应谱兼容的一组地震波[8]。在进行非线性时程分析[9]时，分别按照横向+竖向、纵向+竖向两种方式输入进行分析。计算采用的地震时程图如图4、图5所示。

图4 E1地震加速度时程图

图5 E2地震加速度时程图

4.3 地震响应结果

在非线性时程分析中，通过研究E2地震时该桥在顺桥向地震波作用下，两种不同规格支座的地震响应[10]。墩顶位移值结果见表3、图6。

表3 墩顶位移值表

图6 墩顶位移值比较图

从顺桥向墩顶位移分析结果可以看出，在E2顺桥向地震波作用下，使用高阻尼支座墩顶位移显著减小，位移最多减小53.9%。由于常规支座模型中3#墩采用固定支座，顺桥向大部分地震力被3#墩承受，因此该墩易产生较大的塑性变形，墩顶位移最大。采用高阻尼减震橡胶支座后，产生有效的滞能减震效果，顺桥向墩顶位移具有明显程度的降低，最高可减小4.34 cm的位移变形。

墩底弯矩值结果如表4、图7所示。在E2地震波顺桥向地震作用下，采用高阻尼减震橡胶支座后，各墩底弯矩均匀，基本处于弹性工作范围内。采用高阻尼支座可避免固定墩墩底弯矩过大的情况，由分析结果可知，高阻尼减震支座顺桥向最大减震55.4%，减震效果明显。

表4 墩底弯矩值表

图7 墩底弯矩值比较图

图8 HDR高阻尼支座滞回曲线图

图8为HDR(Ⅰ)-d420-G1.0高阻尼减震支座滞回曲线，由滞回曲线可以看出，高阻尼减震支座具有较强的非线性。

5 结语

连续梁桥是最常见的桥梁形式之一，在高烈度地震区其抗震也一直是桥梁设计、施工的重难点之一。本文采用有限元分析软件CSIBridge建立有限元模型，分别进行了高烈度区连续梁抗震是否考虑桩-土结构作用的分析，以及高阻尼板式橡胶支座与普通板式橡胶支座的抗震性能对比分析。分别得出以下结论：

(1)考虑桩-土相互作用使结构整体变柔、自振周期变长，为降低计算误差，在高烈度区连续梁桥抗震分析中，应该考虑桩-土结构相互作用。

(2)高阻尼减隔震支座的使用，能在桥梁结构中形成隔震层，增加结构阻尼，延长结构自振周期，使桥梁上部结构与桥墩运动不同步，达到滞回耗能的效果，降低了墩顶纵向位移，减小了结构的地震响应，具有较好的减隔震性能。

(3)减隔震支座的使用，避免了固定墩受力过大的情况，保证了桥梁各墩横桥向和纵桥向受力均匀，有效优化了高烈度地区桥墩的结构尺寸。

[1]闫 旭，贺金海，袁万城，等.连续梁桥隔震方案比较[J].地震工程与工程振动，2013(1)：153-159.

[2]范立础.大跨桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]张会玲，秦建国.预应力混凝土连续梁桥设计参数抗震性能研究[J].公路，2013(2)：113-117.

[4]JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[5]周行人，刘海波，胡建华.高烈度区高墩桥梁抗震措施研究[J].桥梁建设，2011(2)：42-45，49.

[6]卢兰刚.连续梁桥三种抗震设计方法对比研究[D].大连：大连理工大学，2012.

[7]尚维波，赵国旺.多孔连续梁桥纵桥向抗震体系研究[J].公路交通科技(应用技术版)，2012(6)：341-343.

[8]刘新华，李加武，周 琴，等.简支梁桥铅芯橡胶支座减震特性研究[J].建筑科学与工程学报，2014(3)：124-131.

[9]刘志锋.预应力混凝土连续梁桥抗震性能分析[D].广州：暨南大学，2014.

[10]邵长江，房 麟，钱永久.基于高阻尼橡胶支座的混凝土连续梁桥减隔震性能[J].公路交通科技，2015(10)：57-61.