关防大桥地震响应时程分析

结合JTG/T 2231-01-2020《公路桥梁抗震设计规范》介绍了香丽路关防大桥抗震分析，通过时程曲线法对桥墩进行非弹性分析；有关计算过程可供相关设计人员参考。

抗震分析; 时程分析法; 塑性铰

U442.5+5 A

［定稿日期］2021-11-25

［作者简介］高金亮（1985—），男，硕士，高级工程师，研究方向为桥梁结构设计。

香格里拉至丽江高速公路起于香格里拉市南，止于丽江市雄古乡白汉场接大理至丽江高速公路，该高速公路对完善滇西北公路网和构筑滇川藏“大香格里拉”旅游圈具有重要意义，也是云南省藏区第一条高速公路。该区域由于地处横断山脉，山高坡陡、地形复杂，所以采用了许多桥梁跨越河谷及深沟，下部结构一般为高墩且桥墩高差较大，所在区域为地震高烈度区，高墩桥梁受震被破坏后很难短时间修复，因此桥梁的抗震计算十分重要。

1 桥梁抗震分析方法

JTG/T 2231-01-2020《公路桥梁抗震设计规范》将桥梁分为规则桥梁和非规则桥，规则桥梁可采用单振型或多振型反应谱法；非规则桥梁采用多振型反应谱或时程分析法。反应谱法的原理是把多自由度体系分解为若干个单自由度体系震动的组合，其计算较为简单，但只能分析线弹性结构状态。时程分析法是对结构的运动过程进行逐步积分得到的一种动力分析方法，可计算出地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，较为准确的计算出结构在地震过程中的内力和位移随时间的反应，并发现结构在地震过程中可能存在的薄弱环节或可能发生的震害。

对于非规则桥梁和受力较为复杂的桥梁，只有采用非线性时程分析法才能正确的计算结构的非线性地震反应。

2 模型建立

2.1 工程概况

本文以关防大桥为实例。该桥位于关防村K47+490处，上跨温浪河；关防大桥半幅宽12.25 m，上部结构采用5×30 m先简支后连续T梁，下部结构采用双柱式墩；第1～4号桥墩高度依次为：9 m、35 m、46 m、26 m，本文选取最不利的3号桥墩进行地震响应时程分析。本桥地震动峰值加速度为0.2g，地震加速度反应谱特征周期为0.4 s，场地类型为II类。桥梁布置见图1。

2.2 有限元模型及计算方法

本桥采用Midas Civil有限元软件建立三维空间杆系模型，进行地震响应时程分析；桥墩及桥台盖梁顶面均设置了纵向及横向限位挡块来确保T梁与盖梁共同受力，模型中采用彈性连接使得T梁与盖梁水平向位移相同（实际地震时，梁体碰撞限位挡块使得挡块产生大位移的变形来耗能，最终挡块破坏甚至失效）；桥墩桩基采用“m”法（土弹簧）模拟，在软件中通过节点弹性支撑来实现；桥梁有限元模型见图2。

2.3 时程分析参数

其中3号桥墩最大墩高46 m，已大于JTG/T 2231-01-2020《公路桥梁抗震设计规范》规定的30 m，属于非规则桥梁，需采用时程分析法进行抗震分析。通常需选取2组实际强震记录和1组人工模拟的加速度时程曲线，再将3组数值取平均后与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线做比较，得出响应的地震波，此方法较为复杂不便于设计人员掌握。本文推荐广东省《建筑工程混凝土结构抗震性能设计规程》，可直接根据特征周期和场地类别选用对应的地震波，通过幅值系数调整峰值。

3 时程分析法计算结果

采用集中铰弹塑性梁单元对桥梁延性构件桥墩进行模拟，在E2地震作用下对桥墩进行Pushover分析，可以得到墩底截面的弯矩-转角关系曲线，以及桥墩的最大弯矩、轴力、墩顶最大位移等（图3）。

通过模型计算结果，横桥向的塑性铰首先出现在系梁两端与墩柱连接处，表明系梁先发生塑性变形产生破坏，这对墩柱受力是有利的；图3顺桥向塑性铰最大处发生在1号墩的地面附近。对于上部结构连续的桥梁，地震时由于上部结构与墩顶位移相同，桥墩越高则桥墩顶底的相对位移越小，桥墩底部弯矩越小，所以矮墩受力最不利，矮墩的墩底弯矩最大，同样矮墩最先进入塑性阶段。下文以进入塑性阶段的1号桥墩墩底单元做具体分析。

图4墩底弯矩在4.87 s达到最大值8 864 kN·m，在3.87 s达到最小值-9 458 kN·m；通过图4可以清晰地看到在地震过程中桥墩的弯矩随着时间变化，对应位置转角及墩顶位移也随着时间在变化，变化趋势和弯矩图大致相同。图5直观地反映了墩底弯矩-转角滞回曲线关系，黑线范围包含的面积越大表明墩柱消耗的地震能力越多；由于墩底截面刚进入塑性阶段，因此弯矩-转角滞回曲线不是很饱满。

本桥各个桥墩的高度变化较大，导致高度最矮的桥墩受力最不利最先进入塑性阶段；如果最矮的桥墩塑性转角较大则需通过增加矮墩的截面来增大墩柱刚度。山区桥梁由于各个桥墩高度差异较大，因此必须通过有限元计算来判断各个桥墩是否进入塑性阶段，调整各个桥墩的刚度使得一联中各个桥墩受力相对均匀，并判断最大转角是否满足规范要求。

4 结束语

本文通过Midas Civil有限元软件对桥梁下部结构采用时程分析法进行抗震分析，桥墩墩顶位移、墩底截面转角及弯矩等均随时间发生变化，通过软件可以直接判断哪些位置发生了塑性变形；本文所用时程分析法选取地震波的过程及塑性分析结果直观，对山区高差大的非规则桥梁的抗震分析具有借鉴意义，可供广大工程设计者参考。

参考文献

［1］ 公路桥梁抗震设计规范： JTG/T 2231-01-2020［S］.

［2］ 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范： JTG 3362-2018［S］.

［3］ 范立础. 桥梁抗震［M］.上海：同济大学出版社，1997.

［4］ 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.