体外预应力连续钢箱梁桥抗震性能分析

梅霄云

摘要 为了提升公路桥梁设计水平，文章总结了体外预应力连续钢箱梁桥抗震设防目标及计算方法，利用Midas/Civil软件建立二维平面计算模型，模拟连续钢箱梁桥在不通过地震工况下的位移和内力响应大小。同时，探讨了铅芯减隔震支座对体外预应力连续钢箱梁桥抗震性能的提升效果。

关键词 连续钢箱梁；分析方法；Midas/Civil；抗震性能；力学响应

中图分类号 U442.55文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）11-0146-03

0 引言

随着我国社会经济的迅猛发展，交通量越来越大，公路工程的建设规模日益扩大。桥梁作为公路沿线的重要构造物，对其性能要求也更加严格。我国地震频发，尤其是在西南山地的丘陵地带，如果桥梁抗震性能不足，其在地震荷载影响下会容易产生落梁、整体坍塌等病害，甚至造成严重的安全事故，产生不良的社会影响。目前，国内外很多学者通过数值模拟、室内试验等手段研究了连续钢箱梁桥的在地震作用下的响应规律。但由于连续钢箱梁桥变形复杂，目前仍未形成统一的规范或标准来指导连续钢箱梁桥建设[1]。同时，设计人员在选择连续钢箱梁桥抗震方案时，大多参考类似项目的图纸，使得桥梁抗震性能提升不明显。因此，进一步深入研究连续钢箱梁桥的抗震性能具有重大的工程意义。

1 连续钢箱梁桥抗震设防目标及计算方法

1.1 桥梁抗震设防目标

由《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）可知，连续钢箱梁桥按所在公路的等级、单跨跨径等参数可划分为A类、B类、C类和D类[2]。

如果连续钢箱梁桥属于A类、B类、C类桥梁，一般是选用“两水准抗震设防标准”，即同时考虑E1地震和E2地震对桥梁结构的影响；如果连续钢箱梁桥属于D类桥梁，只考虑E1地震对桥梁结构的影响。

体外预应力连续钢箱梁桥的抗震设防目标应满足设计文件要求。设计文件未有明确要求，可参考表1确定。如果连续钢箱梁桥位于互通立交路段，且上跨其他桥梁，则该连续钢箱梁的抗震设防标准应高于下跨桥梁的抗震设防标准。主要原因在于：互通立交处的上跨桥梁出现破坏后，会对上线和下线的交通都产生影响，从而降低整条公路的服务水平，所以抗震设计时选用更高的目标。

1.2 桥梁抗震分析方法

地震波具有较大的随机性，当其卓越周期与桥梁自振周期基本一致，容易产生“共振”现象，将作用在桥梁结构上的地震力大幅放大，加剧桥梁破坏，严重的会导致桥梁整体坍塌。结合相关研究成果，体外预应力连续钢箱梁桥在进行抗震分析时，大多选择反应谱法或时程分析法。

1.3 反应谱法

反应谱可用一条或多条曲线表示桥梁在地震力作用下的速度、位移等响应参数和振动周期的关系，具有工作量小，所需计算数据少等优势，且计算精度受振型数量影响较大。反应谱法用于体外预应力连续钢箱梁桥抗震设计时要同时具备3个基本条件：第一，桥梁结构的地震响应在线弹性区间内；第二，桥梁工程各支点的地震激励作用基本一致，这是使用振型叠加法的前提；第三，桥梁结构在地震作用下的最大动力学响应就是最不利响应，以便于把动力问题转变成拟静力问题。

每个振型对桥梁结构的作用不同，为了综合考虑地震力的影响，需将多个振型进行叠加组合。目前，国内外常用的地震波振型组合措施包括SRSS法和CQC法两类。其中SRSS法没有考虑不同振型间的相互组合，对于大跨度桥梁而言计算误差较高，误差可能偏大也可能偏小。CQC法能够较好地解决了SRSS法存在的问题，在振型较密集桥梁结构或大型桥梁结构中应用效果好。SRSS法和CQC法的计算理论见式（1）和式（2）：

1.4 动态时程分析法

时程分析法用于连续钢箱梁桥时需要将地震加速度输入动力激励方程中，并对动力方程逐步積分求解，绘制出时程曲线。相对于反应谱法，动力时程法具有良好的非线性特征，能反映地震作用整个时间历程，计算结果更加精确，这也说明其计算结果与地震波的取值密切相关。时程分析法计算体外预应力连续钢箱梁桥的具体步骤如下：①将桥梁工程在地震力下的运动方程分解成若干个微小时间间隔Δt；②假设Δt内的位移、速度、加速度等存在一定的联系，用中心差分法和纽马克—β法等求解；③逐步积分，推导出Δt+1时刻的结果[3]。

2 连续钢箱梁桥抗震计算模型建立

2.1 工程概况

该体外预应力连续钢箱梁桥中心桩号为K10+880，全长190 m，跨径组合为（50+90+50）m，与主线交叉角度为45°，设计荷载为公路Ⅰ级别，抗震设防烈度为Ⅶ度。主梁是由4片预制的连续钢箱梁组成，每片钢箱梁间距是6 m，每片梁梁底宽3.0 m，梁高2.65～3.65 m，桥面板是厚0.35 m、宽24.0 m的现浇混凝土桥面板。为了提升连续钢箱梁桥的受力状态，预应力系统采用了表2所示的计算参数。

2.2 桥梁计算模型建立

2.2.1 桥梁结构模拟

连续钢箱梁桥在建模之前，要结合各部分构件的受力特点来选择合适的单元类型，在划分单元的时候也要尽量根据构件类型来划分，对构件的细部要模拟到位，同时兼顾计算效率和计算精确度。

结合相关研究成果，采用梁单元（2个节点，每个节点6个自由度）来模拟体外预应力连续钢箱梁和桥面板。在墩顶位置，梁高是变化的，可选用变截面梁单元。

该桥梁采用钻孔灌注桩基础，桩底嵌入岩石层。桩基础的模拟方案有2种[4]：①不建立桩模型。对桥梁结构模型只建立到承台，然后将边界条件设置为承台底节点和大地完全固结；②建立桩模型。将桩土作用视为“土弹簧”，即在桩基础的每个节点位置设置弹性支撑。

在地震力作用下，支座是桥梁结构最容易遭受破坏的位置之一。但是，设计人员在设计连续钢箱梁桥时并不重视支座的抗震设计，较多地是关注桥梁墩柱对地震效应的耗散。鉴于此，该文在建立桥梁抗震计算模型时，用铅芯减隔震支座来代替普通盆式橡胶支座，以对比不同支座下的桥梁抗震性能。

2.2.2 预应力钢束模拟

将设计图纸中的预应力钢束，逐根输入到Midas/Civil软件中，体外索的具体布置形状如图1所示[5]。

体外预应力钢束与桥梁结构混凝土之间的相互作用，其模拟方法2两种：①将预应力钢束换算成等效节点荷载，并将预应力损失（以5%计）考虑在内，并在桥梁结构中将等效节点荷载按一定的顺序输入；②用桁架单元模拟预应力钢束，桁架单元的内力等于预应力。

2.2.3 地震工况

地震波是影响体外预应力连续钢箱梁抗震计算结果的最重要因素，但地震波具有明显的随机性，没有两次地震的地震波变化规律是完全一样。目前桥梁结构在抗震分析时，主要用以下3种选取地震波：一是联系地震局，收集桥梁结构所在区域内的地震数据。二是将桥梁设计的地震烈度、场地条件等与经典地震波谱进行匹配，选择合适的地震波。三是通过Midas Building 软件模拟地震波。该文使用第三种地震波获取方法，最终确定的地震波特征周期与桥梁场地特征周期误差在10%以内，持续时间取10倍的桥梁结构自振周期。

根据《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020），利用反应谱法计算桥梁结构抗震性能时，需要同时考虑x方向、y方向和z方向的地震力时，此时地震效应Ei计算用式（3）[6]：

式中，Eix、Eiy、Eiz——地震波在顺桥向、横桥向、竖向的地震效应。

当利用动态时程分析法计算连续钢箱梁抗震性能时，要同时输入两个方向的地震效应分量。综上，地震力计算取3种工况：工况一考虑顺桥向和竖向的地震效应（Ex+Ez）；工况二考虑考虑横桥向和竖向的地震效应（Ey+Ez）；工况三同时考虑顺桥向、横桥向和竖向的地震效应（Ex+Ey+Ez）。

3 连续钢箱梁桥抗震计算结果分析

3.1 桥梁位移、内力响应结果

利用Midas/Civil软件计算了不同地震工况下，体外预应力连续钢箱梁桥的位移和内力响应，计算结果如表3所示。

由表3可知：顺桥向地震效应所引起的桥梁位移和内力最大，横桥向和竖向地震效应相差不大。由此可知，在分析体外预应力连续钢箱梁抗震性能时，应同时考虑x方向、y方向和z方向的地震力，以确保桥梁抗震方案的合理性。

3.2 支座对桥梁抗震性能的影响

Midas/Civil软件计算了铅芯减隔震支座和普通盆式橡胶支座下，体外预应力连续钢箱梁的跨中最大位移和最大内力，计算结果如图2所示。

由图2可知：相对于普通支座而言，体外预应力连续钢箱梁桥采用减隔震支座后，其在地震作用下的跨中最大位移和最大内力都有显著下降。为了更好地评价减隔震支座对桥梁抗震性能的提升效果，该文提出了“隔震率”，即隔震率 =（普通支座桥梁最大位移或最大内力—减隔震支座桥梁最大位移或最大内力）/普通支座桥梁最大位移或最大内力×100%。由此式可计算出减隔震支座对桥梁跨中位移的降低率为36.3%，对桥梁内力的降低率为28.9%。

4 結论

该文分析了体外预应力连续钢箱梁桥抗震设防目标和计算方法，并利用Midas/Civil软件建立二维平面计算模型，分析其在不同地震工况下的动力响应规律，主要得到以下几方面的结论：

（1）连续钢箱梁桥的应根据桥梁等级决定是否采用两水准抗震设防标准，在具体分析时可选用反应谱法或时程分析法。

（2）连续钢箱梁和桥面板宜使用梁单元模拟，体外预应力钢束可将其换算成等效节点荷载。

（3）顺桥向地震效应所引起的桥梁位移和内力最大，但是在抗震设计时，应尽量同时考虑x方向、y方向、z方向的地震力。

（4）减隔震支座能有效降低体外预应力连续钢箱梁桥的位移和内力，研究成果可为连续钢箱梁桥的抗震设计提供理论指导。

参考文献

[1]王强. 曲线钢箱梁桥优化设计与工程实例分析[J]. 工程技术研究， 2022（18）： 170-172.

[2]江辉， 张鹏， 黄磊， 等. 跨断层简支钢箱梁桥的概率性地震损伤特性研究[J]. 振动与冲击， 2021（15）： 253-262.

[3]张爱军. 某波形钢腹板组合箱梁桥的抗震性能研究[J]. 公路工程， 2021（1）： 225-231.

[4]黄贤智. 钢箱梁斜拉桥抗震能力评估方法研究[D]. 南宁：广西大学， 2014.

[5]郑亮， 田建辉. 连续钢箱梁桥减隔震动力分析[J]. 西安文理学院学报（自然科学版）， 2013（3）： 116-120.

[6]张凯， 李宇， 王保群. 钢箱梁桥地震响应的有限元分析[J]. 山东交通学院学报， 2008（2）： 54-58.