跨西岭互通特大桥主桥抗震分析

2018-10-11邱国阳周浩恩

交通科技 2018年5期

邱国阳周浩恩徐骢

(1.浙江省交通规划设计研究院杭州 310015； 2.中交隧道工程局有限公司华南分公司广州 510700)

地震是一种自然现象，其形成原因主要是地壳快速释放能量[1]。每年，世界范围内会发生多次地震，其中能够形成灾害的地震平均为十几次。我国有超过40%的国土处于VII度以上的地震烈度区，是地震频发国家。20世纪以来，我国平均每3年就会发生2次7级以上的地震，这些具有破坏性的地震会严重毁坏房屋结构和交通运输系统，而交通运输的中断直接影响着救灾工作的开展，这就扩大了次生灾害。

桥梁结构是交通运输系统的重要组成部分，在地震发生后的紧急救援、抗震救灾及灾后重建中有着十分重要的地位[2]，因此，桥梁结构的抗震分析研究对规避自然灾害对人类社会造成的危害具有重要意义。

桥梁结构震害及其抗震性能研究是近几十年来国内外学者研究结构抗震的一个热点方向。1999年我国台湾集集地区发生7.3级地震，2008年汶川发生8.0级地震，2013年雅安发生7.0级地震。这些强震区的桥梁结构的大量破坏促进了各国学者对桥梁结构抗震问题的重新理解和认知，极大地推动了桥梁结构抗震分析的进步和发展。

1 工程概况

跨西岭互通特大桥位于福州市西岭境内，全长1 236.13 m，线间距5.0 m，纵坡G=-2%。大桥主桥为连续梁拱结构形式，跨径分布为70 m+136 m+70 m。主桥主梁为预应力混凝土单箱双室变高度箱形截面，梁高按圆曲线由边跨支点4.0 m增加至中跨支点7.5 m，再减小至跨中4.0 m。拱肋为等高度哑铃形截面钢管混凝土结构，其详细设计参数见表1。

表1 拱肋设计参数

拱肋的两榀拱肋之间共设9道横撑，横撑均采用空间桁架撑，横撑钢管内部不填混凝土。全桥共设14组双吊杆，吊杆顺桥向间距8 m。主桥桥墩均为圆端形墩，除27号采用实体墩外，其余3个桥墩为空心墩，主桥桥墩基础均采用群桩基础。主桥各支点沿横向设3个球形支座。

2 有限元建模要点

在进行桥梁结构的地震反应计算中，首先必须建立准确的桥梁结构动力计算模型，即建立的模型必须较为准确地反映结构的质量、刚度分布特性。在计算模型中除吊杆采用杆单元模拟外，其他结构构件均离散为空间梁单元；吊杆采用杆单元；二期恒载简化为分布质量；采用规范的m法计算桥墩基础的土弹簧刚度，每个承台设6个土弹簧以考虑桩-土作用。按照GB 50111-2006 《铁路工程抗震设计规范》中规定，抗震计算应对无车情况和有车情况分别进行考虑，考虑有车情况时，横桥向需要计入0.5倍活载引起的地震力[3]，因此，在有车情况下，需要将列车活载按照均布节点质量加载到轨顶以上2 m的节点上，这是有车模型和无车模型的主要区别。24号边墩和27号边墩分别承受40 m+2×64 m+40 m连续梁和48 m简支梁的部分自重，亦转化成节点附加质量加载在墩顶处。支座采用连接单元模拟，为减小温度跨度和墩台的附加力，顺桥向固定支座设置于25号墩上。支座布置见图1。

图1 主桥支座布置示意图(单位：mm)

图2为采用分析程序midas Civil所建的全桥有限元模型，整体坐标系的X轴、Y轴和Z轴分别为顺桥向、横桥向及竖向，全桥有限元模型共计1 270个节点、1 476个单元，其中桁架单元28个，梁单元1 448个。

图2 全桥有限元模型图

3 结构动力特性分析

采用Lanczos法计算了大桥有车和无车模型前200阶振型的自振特性，结构在X，Y，Z方向振型累计贡献率均达到96%以上。表2列出了其有车模型前5阶的自振特性计算结果，图3为对应的振型图。

表2 桥梁有车模型自振特性计算结果

由表2可见，桥梁基阶振型为梁拱一阶对称横弯，二阶振型为梁拱异步横弯，这反映了此桥横向刚度相比其他方向刚度较弱。通过进一步计算可知，该振型Y方向振型贡献率仅为16.68%，可见此结构的高阶振型不容忽视，因此，在计算动力特性时，截取至前200阶自振振型是合理的。

图3 前5阶振型图

4 地震响应反应谱分析

反应谱体现的是单质点结构的自振周期与地震最大响应之间的关系，这里的响应可以是位移、速度和加速度。反应谱理论的发展与强地震动加速度观测记录手段的提高有极大关系[4]；反应谱理论与结构振型分解理论的发展，使得复杂的多自由度体系的地震力计算得到了简化。虽然反应谱方法考虑了结构的动力特性，但是在其理论体系中，地震力是作为一种静力荷载施加的，因此其是一种拟静力方法。

根据合福铁路跨西岭互通特大桥136 m连续梁拱桥主桥桥址场地类别(《铁路工程抗震设计规范》II类场地)，地震动反应谱特征周期(Tg=0.4 s)及地震设防烈度(7度)，依据《铁路工程抗震设计规范》(2009年版)，确定桥址场地动力放大系数曲线(见图4)和水平地震基本加速度,见表3。

图4 动力放大系数β曲线

地震概率多遇地震设计地震罕遇地震水平地震基本加速度/g0.040.10.21重要性系数1.51.01.0

地震输入按纵桥向、横桥向和竖向3个方向考虑，计算结果取前150阶进行CQC组合。竖向谱值取相应水平谱值的2/3，纵向与竖向、横向与竖向组合采用SRSS组合。按照无车和有车2种情况，分别计算纵向、横向、竖向、纵向+竖向、横向+竖向各种工况下的地震力。

由反应谱分析结果可知，设计地震作用下，两边墩水平剪力与竖向力的比值较大，达到了30%以上，大于其容许比值15%，桥梁支座将发生剪切破坏，但结构大部分将处于弹性变形阶段，部分进入塑性变形阶段，地震不会使其产生较大破坏和整体倒塌。而2个中墩水平剪力与竖向力的比值较小，均在15%以下。

5 弹性地震动力时程分析

动态时程是随着超级工程的建设、高性能计算机和实验技术的发展而发展的,被认为是结构动力分析的精细化分析方法[5]。时程分析方法全面地反映了结构在地震动下的力学行为，可以直接考虑结构的弹塑性特性，从而直接找到结构的薄弱环节，达到规避风险的目的。

进行时程分析时，可以选择人工合成的地震波作为地震动输入，但是人工波与天然波存在一定的差异，因此，通常选用天然地震记录作为地震动输入。本文在PEER强震记录数据库中选取了3条实际记录的地震波。这3次地震的发生地均为与桥址场地土相近的II类场地，3条天然波的的详细信息见表4。图5为表4地震波对应的时程曲线，图6为相对应的加速度反应谱。

表4 时程分析所采用的地震动事件

图5 N波、T波和E波的时程曲线

图6 N波、T波和E波的加速度反应谱

5.1 多遇地震的时程反应分析结果

参照《铁路工程抗震设计规范》7.1.4条规定，竖向地震作用可按结构水平地震加速度的65%进行动力分析[6]，故本文采用的竖向地震加速度按水平地震加速的的65%计取，实际地震动作用输入取纵桥向+竖向、横桥向+竖向的模式。

多遇地震水准下，VII度区的水平地震基本加速度为0.04g。采用本文所选的3条实际地震记录，将其峰值加速度调整到0.04g，分别输入大桥模型顺桥向+竖向和横桥向+竖向进行时程分析，得到其地震激励下的峰值响应。

选取桥墩墩底截面及墩底空心截面作为计算控制截面，通过分析可知，在所选的控制截面中，25号固定墩墩底的内力组合最大；所选的地震波中，输入E波计算的结果又比N波、T波大，这是由于所选波的频谱特性存在差异，N波的特征周期较长，与结构的基阶周期最接近。

将动力时程分析结果与第4节反应谱分析结果进行对比分析，可知N波、T波的计算结果较小，E波的计算结果较大，平均值相近，说明了模型的有效性；时程分析计算的内力值偏小，有的甚至小于反应谱分析的结果，一定程度上也说明设计规范的保守性。

5.2 设计地震的时程反应分析结果

根据前述的本桥设防水准和性能目标，应按设计地震验算梁与下部结构连接构造的强度。VII度区的设计水平地震基本加速度为0.1g，采用本文所选的3条实际地震记录，将其峰值加速度调整到0.1g，分别输入有车模型和无车模型进行时程分析，得到的各支座的内力见表5、表6。

表5 无车时设计地震动下支座验算

表6 有车时设计地震动下支座验算

由表5、表6可见，时程分析与设计地震下反应谱分析的结果相近，两边墩水平剪力与竖向力的比值较大，达到了40%以上，大于其容许比值15%，可能发生破坏。而2个中墩水平剪力与竖向力的比值较小，均在15%以下。

5.3 罕遇地震的时程反应分析结果

按《铁路工程抗震规范》7.2.4条规定，罕遇地震水准下，VII度区的水平地震基本加速度为0.21g。故在进行罕遇地震的时程分析时，需要先将本文前述的3条实际地震记录的峰值加速度调整到0.21g，再分别输入大桥有车模型和无车模型进行时程分析，从而得到结构在罕遇地震激励下纵向和横向的墩顶位移峰值响应。限于文章篇幅，计算过程略。

由分析结果可知，时程分析的结果与响应反应谱分析的结果接近。在罕遇地震下，3条地震波的平均计算结果表明，桥墩的漂移比(墩顶位移与墩高比值)不超过0.2%，富余量较多，可以满足“大震不倒”的要求。