连续梁拱桥抗震性能研究

2019-07-19向大峰

四川建筑 2019年3期

向大峰

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

梁拱组合结构桥梁是一种兼具拱桥和梁桥特点的结构形式，作为大跨度桥梁在铁路工程中被广泛采用。几次大地震造成桥梁工程的严重破坏，揭示了桥梁工程抗震研究的重要性。对于大跨度桥梁结构的地震响应以及减震措施，不少学者进行了大量研究。李忠献[1]等用数值方法模拟了行波激励下的地震反应；梁田[2]分析了梁拱组合协作体系在地震作用下各结构内力，戴公连[3]等分析了高阶振型、几何非线性、行波效应等因素对大跨度铁路连续梁拱组合桥的地震响应；诸葛翰卿[4]等研究了横桥向地震作用对钢拱桥地震损伤发展的影响；蒋垠茏[5]等研究了拱形连续梁桥抗震性能。

本文以(83.9+168+83.9)m连续梁-柔拱桥为例，分析了该梁拱结构桥梁的抗震性能。以及在常规体系罕遇地震延性不通过的情况下，采用双曲面球型减隔震支座的减震效果。结果表明，双曲面球型减隔震支座减震效果明显。

1 工程概况

1.1 连续梁拱结构方案

本文以一座跨度为(85+168+85)m连续梁-柔性拱组合结构桥为例，总体布置图如图1所示。对图1中的墩柱进行了编号，其中2#墩为固定墩。

图1 大桥立面(单位：m)

主拱计算跨度L=168m，设计矢高f=33.6m，矢跨比f/L=1∶5；桥梁的中墩以及边墩都是混凝土实体墩，中墩纵、横向尺寸为14.6m×5.0m；边墩纵、横向尺寸为12m×3.8m。建立全桥模型如图2所示。

图2 有限元模型

1.2 地震参数

桥址处场地地震动峰值加速度为0.22g，反应谱特征周期为0.60s。50年10 %(设计地震作用) 和50年2 %(罕遇地震作用)超越概率的加速度反应谱(阻尼比5 %)计算公式如式(1)。竖向地震作用均取相应水平地震动的0.65倍。

Sa(t)=Amaxβ(t)

(1)

式中：T为反应谱周期；Amax为峰值加速度；T0、Tg为反应谱拐点周期；Sa(T)为周期为T时的反应谱值；βm为相对反应谱最大值；k为衰减指数。各参数的取值见表1。在多遇地震作用下，需考虑结构重要性系数1.5。

表1 反应谱参数取值(5%阻尼比)

根据桥址处地震震级和场地特性，对设计地震和罕遇地震分别人工合成地震动加速度时程。典型加速度时程如图3所示。

(a)设计地震时程波

(b)罕遇地震时程波图3 水平向加速度时程曲线

2 常规体系抗震分析

对常规体系建立的线性动力模型，根据多遇地震、设计地震及罕遇地震作用的场地加速度反应谱，对结构进行反应谱分析，取前500阶振型，按CQC方法进行组合，桥墩在“纵桥向+竖向”及“横桥向+竖向”作用下反应谱法分析结果见表2～表4。

表2 多遇地震作用下桥墩墩底截面弯矩 kN·m

表3 设计地震作用下桥墩墩底截面弯矩 kN·m

在多遇地震作用下，桥墩墩底截面弯矩均小于桥墩的等效屈服弯矩，桥墩未屈服；设计地震纵向地震力作用下，桥墩墩底截面弯矩大于等效屈服弯矩，横向地震力作用下，1#墩和4#墩的墩底弯矩已非常接近桥墩的等效屈服弯矩；罕遇地震作用下，桥墩墩底截面弯矩大于等效屈服弯矩，桥墩进入塑性，需要对桥墩进行延性抗震计算。

表4 罕遇地震作用下桥墩墩底截面弯矩 kN·m

3 罕遇地震作用下延性抗震验算

本文采用弹塑性集中塑性铰梁单元来模拟固定墩纵向非线性性能，仅在纵桥向设置塑性铰，计算塑性铰的等效屈服弯矩以及等效屈服曲率。该模型固定墩墩底设置了纵向塑性铰并对对固定墩单元刚度折减，其余单元模拟方式与常规模型相同。桥墩钢筋混凝土构件截面的配筋率按0.5 %及0.75 %，根据《铁路工程抗震设计规范》第7.3.3节规定进行延性抗震验算。罕遇地震作用下塑性铰的等效屈服弯矩均为539 800kN·m，等效屈服曲率均为0.483×10-3(1/m)。墩顶位移分别为0.335m及0.303m。位移延性比均为5.8>4.8，因此延性设计均不满足要求。

4 减震体系抗震分析

由于常规体系在设计和罕遇地震作用下固定支座要承受很大的水平地震力(远远超过常规支座的水平承载能力)，不满足延性设计要求，使用双曲面球型减隔震支座对桥梁结构进行减震，并对其减震效果进行分析。

4.1 减震措施

减震体系是在所有墩柱上设置双曲面球型减隔震支座，纵横桥向均考虑双曲面球型减隔震支座的减震效果。支座结构上包括滑动凹球面的上支座板、双凸球面的中支座板及转动凹球面的下支座板；针对减震体系，建立桥梁的非线性动力模型。主梁、拱肋、桥墩和吊杆等模拟方法均与线性模型相同，仅边界连接条件的模拟方式有所差异。多遇地震下剪力销未剪断，对罕遇地震下结构的地震响应进行非线性时程分析。