某大桥抗震性能研究

(中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广东 广州 510230)

一、工程概况

某大桥工程位于木兰县至宾县路线上，是跨越琥江的特大型桥梁，全桥跨径布置为4×40m+11×(3×40m)预应力混凝土简支转连续T梁+(95m+5×160m+95m)预应力混凝土连续箱梁+3×40+4×40m预应力混凝土简支转连续T梁，桥梁全长2761.56m。

主桥结构为预应力混凝土连续箱梁，跨径布置为(95m+5(160m+95m)，里程桩号为K3+004.84～K5+766.56，主桥全长990m。图1为主桥的立面布置图。

图1某大桥主桥立面布置

(一)主要研究内容

该桥工程是一个特大型桥梁工程，一旦在地震中遭到破坏，可能导致巨大的生命财产以及间接经济损失。因此，进行正确的抗震研究，确保其具有合理的抗震能力具有重要的意义。主要研究内容有：

基于施工图设计方案，建立主桥采用常规球型支座下主、引桥合理空间动力计算模型，分析结构动力特性；在线性模型基础上，考虑了主桥中球型钢支座和引桥中四氟乙烯滑板支座的纵向滑动摩擦效应，建立了非线性分析模型；根据建立的线性和非线性模型，采用反应谱方法和非线性时程方法进行地震反应分析，研究原结构体系下桥梁结构在两种设防水准(E1地震作用、E2地震作用)地震输入下的地震反应。

二、抗震设防标准、性能目标和输入地震动参数

(一)抗震设防标准

按《公路桥梁抗震设计细则》中的规定，某大桥属于A类桥梁，采用E1地震作用(50年超越概率10%)和E2地震作用(50年超越概率2%)两种地震动水平进行抗震设防。

对于主桥，参考《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01—2008)相关条款以及类似桥梁的研究成果，主桥相应的性能目标确定为：当桥梁遭受E1地震作用时，桥梁不受损坏或不需修复可继续使用；当桥梁遭受E2地震作用时，桥梁可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用。

(二)地震动输入

1.反应谱

根据《某大桥工程场地地震安全性评价》，工程场地阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱由下式确定：

S(T)=Amax·β(T)

式中M-φ为水平设计加速度反应谱最大值，Tg为场地特征周期(单位s)，T为结构自振周期(单位s)，β(T)为动力放大系数反应谱，Smax为水平设计加速度反应谱最大值。各参数如表1所示。输入时分别考虑竖向地震荷载与纵桥向和横桥向地震荷载的组合，竖向地震荷载取水平地震荷载的0.65倍。

表1 场地地表设计地震影响系数曲线参数表

根据《公路桥梁抗震设计细则》的规定，混凝土梁桥的阻尼比不宜大于0.05，本研究取阻尼比为0.05。

对于竖向设计地震动参数，根据《公路桥梁抗震设计细则》，竖向设计加速度反应谱由水平向设计加速度反应谱乘以下式给出的竖向/水平向谱比函数R。

基岩场地：R=0.65；

本桥处于基岩场地，故的竖向/水平向谱比函数R取为0.65。

2.加速度时程

根据《某桥工程场地地震安全性评价》提供反应谱曲线，利用地震波生产程序得到加速度时程曲线，E1地震输入与E2地震动输入情况下的加速度时程曲线。输入时分别考虑竖向地震荷载与纵桥向和横桥向地震荷载的组合，竖向地震荷载取水平地震荷载的0.65倍。

三、主桥采用常规球型支座下结构地震反应分析

(一)非线性动力模型

在线性模型基础上，非线性动力分析模型考虑了主桥的球型钢支座和引桥的四氟乙烯滑板支座的纵向滑动摩擦效应。

球型钢支座和四氟乙烯滑板支座可采用恢复力模型模拟其摩擦效应。其中恢复力模型的主要参数介绍如下：

(1)Fmax为临界滑动摩擦力，取为支座恒载轴压力N乘以动摩擦系数，本研究中球型钢支座和四氟乙烯滑板支座的动摩擦系数均取为0.02，即Fmax=N×0.02；

(2)K为支座发生滑动前的剪切刚度，球型钢支座滑动前刚度K可由临界滑动摩擦力Fmax除以临界滑动摩擦位移Xy得到，本研究对Xy取为2mm，四氟乙烯滑板支座滑动前刚度K可采用按式(3.1-1)计算得到；

(3)支座滑动后，恢复力模型中的二次刚度取为0。

(二)动力特性分析结果

根据线性动力计算模型，进行结构动力特性分析，表2为计算模型的前10阶振型、频率及振型特征。

表2 计算模型基本动力特性

(三)反应谱分析结果

对线性动力计算模型(不考虑活动支座滑动方向的摩擦效应)进行反应谱地震反应分析时，分别采用E1地震作用、E2地震作用两种设防水准反应谱，地震输入方式：1.纵向+竖向；2.横向+竖向两种方式。采用弹性反应谱分析方法，计算中取前500阶振型，振型组合按CQC法，方向组合按SRSS法。地震输入下，主桥各桥墩墩底截面、引桥各桥墩墩底和墩顶截面、桩最不利截面为地震反应控制截面。

1.E1地震作用下结构响应

在E1地震作用输入下，各桥墩墩底截面地震内力。

表3 各桥墩墩底截面地震响应

四、非线性时程分析结果

对非线性模型进行地震反应分析时，考虑活动支座滑动方向的摩擦效应，根据《某大桥工程场地地震安全性评价》提供反应谱曲线，利用地震波生产程序得到E1地震作用和E2地震作用下加速度时程曲线，地震输入方式为：1.纵向+竖向；2.横向+竖向两种方式，分析方法采用非线性时程分析方法，并取三条波的最大值作为最终输出结果。地震输入下，主桥各桥墩墩底截面、引桥各桥墩墩底和墩顶截面、桩最不利截面为地震反应控制截面。

由于在进行非线性地震反应分析时，只考虑了主桥中球型钢支座和引桥中四氟乙烯滑板支座的纵向滑动摩擦效应，因此仅给出纵桥向分析结果，横桥向结果可参考反应谱计算结果。