强震作用下预制结构桥梁抗震性能研究

杜江梅　管舒啸

摘   要：本文以功東高速公路某桥为研究对象，基于Midas有限元分析软件建立动力分析模型，分析结构的动力特性，同时，采用反应谱和非线性时程分析方法研究桥墩及桩基在E1、E2地震作用下的地震响应，为同类桥梁的抗震性能分析提供参考。

关键词：预制结构桥梁  抗震性能  反应谱分析

中图分类号：U442.55                              文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0045-05

Abstract：This paper takes a bridge in Gong shan -Dong chuan expressway project as an example，based on Midas finite element analysis software， a dynamic analysis model is established to analyze the dynamic characteristics of the structure，At the same time， the seismic response of piers and pile foundations under E1 and E2 earthquake actions is studied by response spectrum and non-linear time history analysis method，it provides reference for seismic performance analysis of similar bridges。

Key Words： Prefabricated bridge; Seismic performance; Response spectrum analysis

我国是一个强震多发国家，特别是汶川大地震，再一次警示地震灾害带来的人员伤亡、财产损失、对自然环境破坏都是灾难性的。云南部分地区处于8度、9度地震高烈度区，因此在很多桥梁工程设计中对桥梁的抗震设计有着更高的要求。了解桥梁的各种震害类型，在具体的桥梁抗震设计中进行合理抗震设计，提高桥梁安全性。

1  工程背景

本桥全桥共2联：4×30+3×30，简支T梁，桥面连续，全桥均设置GYZ d400×99型板式橡胶支座。桥梁上部结构形式为预应力混凝土（后张）T梁，主梁高度为2.0m;左线2#～5#墩采用空心墩，7.5m×7.5m×2.5m承台接四根φ1.8m钻孔桩基础，其余桥墩采用φ2.0m双柱式墩，φ2.2m钻孔桩基础。起点侧采用双柱式台，φ1.6m钻孔桩基础，终点侧采用肋板台，φ1.6m钻孔桩基础，其立面布置如图1所示。

2  动力特性分析

主梁、桥墩和桩基均采用空间梁单元模拟，其中主梁采用单主梁模型。由于各桥墩处均使用了桩基础，考虑桩-土相互作用，因此本文采用M法计算土弹簧对桩基进行模拟[5]。弹簧刚度根据土层状况和桩的布置形式按静力等效原则确定，由土性资料确定m值。并考虑动力荷载对土具有刚度强化作用（强化系数取2.0），承台和群桩基础交接处采用主从连接模拟。对于支撑连接条件模拟：在线性计算模型中，由于不考虑板式橡胶支座与梁底的滑动效应，板式橡胶支座采用线性弹簧单元模拟，线性弹簧的刚度采用板式橡胶支座的剪切刚度，各支座均采用板式橡胶支座。

根据本桥的特点，建立全桥的动力计算模型，在此基础上进行其动力特性和地震反应分析。两侧桥台做为边界条件，考虑其对桥梁的影响，模型中考虑了P-Δ效应，桥梁Midas有限元模型如图2所示。

根据计算模型，进行结构动力特性分析，本文给出了前5阶振型、频率及振型特征，见表1。

3  地震响应计算结果

本桥所处地区地震动加速度为0.4g以上，属于地震烈度9度区，按《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）中的规定属于B类桥梁[1]，采用E1地震作用（50年超越概率10%，考虑结构重要性系数0.5）和E2地震作用（100年超越概率5%）两种地震动水平进行抗震设防。

当动力模型为线性模型时，可以应用反应谱法进行地震反应分析。采用反应谱分析时，取前300阶模态分析，按CQC方法进行振型组合。非线性时程反应分析时考虑了板式橡胶支座梁底的滑动效应，按照规范采用三条地震动加速度输入，取三条地震动加速度输入计算出的最大值作为最终结果。限于篇幅，本文仅探讨墩高最高的3#、4#空心墩和1#双柱式墩及其支座在地震响应下的计算结果。

3.1 E1地震作用下结构地震响应

利用反应谱分析方法，可以得到桥墩关键截面地震响应，此处列出地震桥墩关键截面内力结果（表2）、支座响应及对板式橡胶支座是否滑动的检验（表3）。

3.2 E2地震作用下结构地震响应

利用非线性时程分析方法，得到桥墩关键截面地震响应、支座响应以及对板式橡胶支座是否滑动的检验（表4、表5）。

桥梁抗震计算结果表明，E2地震下梁底支座均超过临界滑动状态而发生不同程度滑移，支座的滑移大大降低了下部结构墩柱和桩基的地震响应，但与此同时也增加了落梁的风险。由于桥梁纵、横向设计要求不同，设计中应区别对待，在纵桥向应设置防止落梁的混凝土挡块，挡块与桥墩之间预留足够的地震位移;横桥向应设置具有减震效果的钢挡块，与传统的设计采用混凝土挡块（计算时假设梁体与桥墩、桥台间在横桥向为刚接）相比，结构抗震性能将大大提高。

4  结构抗震性能验算

4.1 E1地震作用下抗震验算

在E1地震作用下，分别输入纵向、横向地震作用，在纵、横桥向分别验算各桥墩，各相关桥墩关键截面验算见表6，表7。

由上述验算表格知，各桥墩在设计配筋率[4]下，桥梁在E1地震作用下的抗震性能可以满足要求。

4.2 E2地震作用下抗震验算

由于E2地震作用下，所有板式橡胶支座均已滑动，形成类似减隔震体系的效果。因此在對其进行验算时，参照《城市桥梁抗震设计规范》关于减隔震桥梁的规定[2]，将桥梁地震力需求除以1.5的系数后进行验算;要求桥墩的最不利地震弯矩需求小于截面等效屈服弯矩。

E2地震纵、横向作用下，各相关桥墩关键截面验算见表8、表9。

在E2纵向+竖向地震作用下，柱式墩墩底进入屈服状态，根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）需验算墩顶位移及墩柱抗剪强度[3]，计算结果如表10、表11。

由上述验算表知，各桥墩在设计配筋率下，桥梁在E2地震作用下的抗震性能可以满足要求。

5  结语

E1地震作用下，各桥墩在纵桥向和横桥向地震输入时，其关键截面在设计配筋率下均保持弹性工作状态，板式橡胶支座变形能力及抗滑性能均能满足抗震性能要求;E2地震作用下，在纵桥向地震输入下，1#柱式墩关键截面屈服，但变形能力满足要求;3#、4#桥墩关键截面均能满足弹性工作状态。但墩顶设置的板式橡胶支座纵向和横向均已滑动，需要通过对逐墩采用纵、横向挡块对主梁进行限位，防止落梁。

对于不需进行抗震计算或无法进行计算模拟的桥梁状态，合理的抗震措施对保证桥梁抗震性能有重要作用。实际工作中，除了通过对结构强度和变形验算来评价桥梁的抗震性能外，还需对结构各种构造细节及抗震措施进行检查，以达到全面、准确评价桥梁抗震性能的目的。

参考文献

[1] JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].北京：中国建材工业出版社，2011.

[2] CJJ 166-2011，城市桥梁抗震设计规范[S]. 北京： 中国建材工业出版社，2011.

[3] 范立础，卓卫东.桥梁延性抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] 张树仁，郑绍珪，黄侨，等.钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.