横断山区高速公路连续刚构桥抗震性能研究

余强　刘蕾蕾

【摘 要】文章以四川省南部横断山区某高速公路连续刚构桥为例，利用有限元数值模拟软件，建立了八度区墩高超过80 m的主桥空间动力计算模型，输入人工合成工程场地地震动时程曲线，分析了主桥前十阶模态振型的周期、频率及特征，研究了主桥在E1、E2地震作用下的抗震性能，研究成果可供同地区高速公路桥梁设计计算提供参考。

【关键词】横断山区; 高速公路; 连续刚构桥; 动力特性; 抗震性能

【中图分类号】U442.5+5【文献标志码】A

近年来，四川省高速公路建设逐渐推向西部、南部高烈度横断山区，区域地表起伏大，地形崎岖，峰峦重叠，河谷幽深，岭谷相间，高差悬殊，高速公路桥梁往往面临高墩、大跨、高烈度等难题。连续刚构桥具有墩顶固结，可不设置支座和临时固结措施，可以减小主梁跨中正弯矩、截面尺寸，减轻上部结构自重，增大主梁跨径，多跨连成整体，跨越能力强，抗震性能好等优点，是高烈度山区高速公路大跨桥梁形式的较优选择。针对连续刚构桥的抗震性能，已有学者开展了相关工程实践和研究，取得了一些有价值的成果[1-5]。本文在已有研究成果基础上，以四川省南部横断山区某高速公路高烈度、高墩大跨连续刚构桥为例，利用有限元数值模拟，分析该桥的动力特性，列出前十阶振型的周期、频率及主要振形特征，研究其在E1、E2地震作用下的抗震性能，研究成果可供同地区高速公路桥梁设计计算提供参考。

1 桥梁模型

1.1 桥梁概况

四川省南部横断山区某高速公路大桥全长941 m，引桥为30 m、40 m跨径的预应力混凝土简支T梁，主桥为（70+130+70） m预应力混凝土连续刚构。主桥上部结构为箱梁，宽12.6 m，顶板等厚0.3 m，底板按1.8次抛物线由0.32 m增大到1.2 m，中跨跨中合龙段梁高3.0 m，墩顶截面0号块梁高8.0 m，梁高按1.8次抛物线变化，如图1、图2所示。主桥桥墩为空心薄壁墩，墩高分别为84 m、91 m，下部结构为承台桩基础。该桥设计荷载为公路—I级，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，阻尼比取0.05。该桥抗震设防类别为B类，场地卓越周期为0.45 s。

1.2 桥梁动力计算模型

采用Midas Civil有限元软件建立主桥的空间动力计算模型，如图3所示，模型以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。主桥上部结构、桥墩、承台及桩基均采用空间梁单元模拟，二期恒载等效为线质量均匀施加主梁上，并将恒载全部转化为质量。墩顶与上部结构刚性连接，承台与桩基刚性连接，桩基底部固结，并设置土弹簧模拟桩土作用。

地震响应分析时，利用等代土弹簧进行桩土作用模拟，当仅考虑桩土共同作用的弹性作用时，使用m法进行计算。由于地震为偶然荷载，对于50 a超越概率10 %地震作用下，材料强度取规范设计值;对于50 a超越概率3 %地震作用下，材料强度取规范标准值，且不再考虑材料的安全分项系数。

1.3 地震动输入

采用人工合成工程场地抗震设计地震动时程曲线，如图4、图5所示，分别为50 a超越概率10 %、3 %的3条不同随机相位的水平向加速度时程波，地震输入方式为纵向、横向，对主桥进行时程分析，并取3条波的最大值作为计算结果。桥墩控制截面取墩顶和墩底位置。

2 桥梁动力特性分析

主桥动力计算前十阶模态振型的周期、频率及特征描述如表1所示，其中第一阶振型为反对称竖弯，第二阶振型为对称侧弯，第三阶振型为反对称侧弯，见图6～图8。

3 桥梁抗震性能分析

截面等效弯矩是将实际截面弯矩—曲率曲线按照能量等效原则，等效为弹塑性曲线，如图9中曲线。等效弯矩Meq为图9中上下两部分阴影面积相等求得。图9中，My为截面在最不利轴力状态下，结构最外侧钢筋首次屈服对应的初始屈服弯矩;Mu则为截面极限弯矩，即把实际弯矩—曲率曲线等效为图中所示弹塑性双线性恢复模型时的等效抗弯屈服弯矩[6]。

按规范规定对主桥关键截面进行抗震性能验算，将桥墩截面劃分为纤维单元，混凝土和钢筋分别划分单元，并采用实际的应力-应变关系曲线，利用截面数值积分法进行弯矩-曲率分析，并考虑轴力影响，最终得到图9所示的弯矩-曲率曲线[7]。

3.1 E1地震作用下结构抗震性能分析

在E1地震作用下，分别输入纵向、横向地震波，荷载组合为恒载+地震荷载，弯矩需求为恒载弯矩+地震弯矩，最不利轴力为恒载轴力+地震轴力。根据抗震性能目标，在E1地震作用下，截面的抗弯能力取初始屈服弯矩，顺桥向、横桥向桥墩墩顶、墩底抗震性能计算结果见表2、表3所示。可以发现，顺桥向、横桥向桥墩关键截面地震弯矩均小于初始屈服弯矩My，抗震能力需求比均大于1，整个截面保持在弹性，结构基本无损伤，满足E1地震水平下的性能目标。

3.2 E2地震作用下结构抗震性能分析

在E2地震作用下，分别输入纵向、横向地震波，荷载组合基本与E1计算一致。根据抗震性能目标，在E2地震作用下，截面的抗弯能力取等效屈服弯矩。顺桥向、横桥向桥墩墩顶、墩底抗震性能计算结果见表4、表5所示。可以发现，顺桥向、横桥向桥墩关键截面地震弯矩均小于等效屈服弯矩Meq，抗震能力需求比均大于1。从理想弹塑性双线性模型看，当地震弯矩小于等效抗弯屈服弯矩Meq，结构整体仍处于弹性范围。实际上，在地震过程中，对应于等效抗弯屈服弯矩Meq的截面，部分钢筋已进入屈服阶段。相关研究表明：截面的裂缝宽度可能会超过容许值，混凝土保护层损伤的弯矩为截面极限弯矩Mu，由于Meq≤Mu，混凝土保护层仍然完好。地震过程往往持续时间较短，震后由地震引起的裂缝，在结构自重作用下，一般可以闭合，不影响结构使用，满足E2作用下局部可发生可修复的损伤，地震发生后，基本不影响车辆通行的性能要求。

4 结束语

川南横断山区地震烈度高、地表起伏大、深切河谷、横坡陡峻，是该区域高速公路桥梁设计面临的难题。连续刚构桥以较强的跨越能力和抗震性能，往往作为高烈度深切河谷的首选桥型。本文以横断山区某高速公路连续刚构桥为例，较为详细的介绍了八度区墩高超过80 m的主桥动力计算模型的建立，提供了人工合成工程场地地震动时程曲线，分析了主桥前十阶模态振型的周期、频率及特征，研究了主桥在E1、E2地震作用下的抗震性能，研究成果可供同地区高速公路桥梁设计计算提供参考。

参考文献

[1] 向文凤， 程华才. 大跨连续刚构桥抗震分析与研究[J]. 工程建设， 2011， 25（5）：655-657.

[2]张清平， 张德海. 大跨度连续刚构桥抗震响应特性评估研究[J]. 公路工程， 2020， 36（5）：77-80.

[3]刘怀林， 郑罡. 大跨径连续刚构桥抗震分析及抗震性能评价[J]. 公路交通技术， 2009， 6：81-84.

[4]吴大宏， 贾继祥. 考虑桩土作用的高墩大跨连续刚构桥梁稳定性分析[J]. 四川建筑， 2020， 40（3）：154-162.

[5]刘伟. 某连续刚构桥抗震与减震性能分析[J]. 公路与汽运， 2019， 194（5）： 100-103.

[6]鲁思宁. 山区高墩混凝土连续刚构桥抗震鲁棒性研究[D]. 成都：西南交通大学， 2018.

[7]鲁小会. 高墩预应力连续刚构桥抗震分析与减隔震研究[D]. 重庆：重庆交通大学， 2017.

[定稿日期]2021-04-22

[作者简介]余强（1972～），男，本科，高级工程师，从事桥梁工程设计研究工作。

[通信作者]刘蕾蕾（1982～），男，硕士，高级工程师，从事桥梁工程设计研究工作。