近场地震动作用下劲性骨架混凝土拱桥地震响应分析

曾宪帅

（核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000）

劲性骨架混凝土拱桥是以钢管混凝土为劲性骨架，外挂模板分段分环浇筑外包混凝土形成主拱结构的大跨度钢筋混凝土拱桥，具有跨越能力大、变形小特点与优越的结构动力性能[1]。

方春平等[2]通过计算分析劲性骨架拱桥得到了起控制作用的地震输入方式以及拱圈内力的变化规律。谢松茂[3]研究了大跨度劲性骨架拱桥在地震作用下的传力机理、内力分布及变形状态。Zhao 等[4]研究了非平截面应力对劲性骨架拱桥抗震性能的影响。综合研究现状发现，目前对劲性骨架拱桥在近场地震作用下响应的探究较少。由于近场地震动具有自身特殊的方向性效应、滑冲效应以及上盘效应等性质，对桥梁结构造成了巨大的威胁[5]。因此，有必要对近场地震动作用下劲性骨架拱桥的地震响应进行分析。

该文以1 座高速铁路上承式劲性骨架混凝土拱桥为工程实例，基于OpenSEES 建立桥梁非线性数值模型，通过非线性动力时程分析方法分析了近、远场地震动作用下劲性骨架拱桥的地震响应。研究结果对近断层区域内同种铁路桥型的抗震减震研究具有一定的指导意义。

1 工程概况

该文以1 座跨度为340 m 的上承式钢管混凝土劲性骨架拱桥为研究对象，其总体布置如图1 所示。拱桥竖直平面内矢高74 m，矢跨比为1/4.595，拱轴线采用拱轴系数m=3.2 的悬链线。主拱圈平面为提篮形，采用箱型肋拱截面，分叉段拱肋截面为单箱单室截面，拱圈合并段为单箱三室截面。拱箱高度按照1.5 次抛物线由拱脚处11 m 变至拱顶处6 m。拱肋劲性骨架上下弦杆采用钢管混凝土构件，上下弦主钢管共计8 肢，管内灌注自密实无收缩C60 混凝土，主钢管与横联钢管材质采用Q390D 钢材。主钢管间横向、竖向通过腹杆、平联杆等联结系形成整体空间桁架结构，材质采用Q345D 钢材。主钢管与拱肋分叉段横联钢管为ϕ750×24 mm，拱顶合并段横联钢管为ϕ560×16 mm，其他联结杆件为四肢组合角钢结构。主拱圈采用劲性骨架法外包C55 补偿收缩混凝土施工。交界墩和拱上立柱均为双柱内倾式桥墩，拱上结构为3联4 孔的预应力混凝土连续梁。

图1 劲性骨架混凝土拱桥总体布置（单位：m）

2 计算模型

2.1 计算参数与模型

该文通过OpenSEES 平台建立拱桥的非线性数值模型。采用弹性梁柱单元模拟拱上主梁、拱脚基础；采用基于柔度的非线性纤维梁柱单元模拟交界墩、拱上立柱和拱圈劲性骨架；基于共节点单元法模拟钢管与内填混凝土的共同作用；拱肋外包混凝土采用考虑剪切的弹性壳单元模拟。二期恒载共计147.25 kN/m，作为质量施加在主梁节点上。分别采用Concrete01 和Steel02 本构模型模拟混凝土与钢材以考虑材料非线性。考虑钢管的约束作用，钢管内填混凝土采用Saenz 本构模型[6]。桩-土相互作用与支座采用zeroLength 单元模拟，本构关系采用相应的理想弹塑性模型。采用刚臂连接模拟拱肋与拱上立柱、拱上立柱与主梁之间的刚性连接，桩基础底部均为全固结。全桥施加5%的瑞利阻尼。基于OpenSEES 建立的劲性骨架拱桥数值模型如图2 所示。

图2 基于OpenSEES 的劲性骨架拱桥数值模型

2.2 近远场地震动及其反应谱特性分析

本桥桥址区场地类别属II 类，设计地震分组为1 组，抗震设防烈度为Ⅷ度，地震动反应谱特征周期0.45 s，罕遇地震作用下水平地震基本地震动峰值加速度为0.30 g。根据桥址场地类别和特征周期，从PEER 强震数据库中分别选择7 条近、远场地震波进行结构时程分析，结果响应取平均值。根据已有研究[7]，断层距Rrup和PGV/PGA是识别近场效应的重要特征。该文选取具有明显脉冲效应的近场地震波（Rrup<15km 且PGV/PGA>0.1）进行近场地震动作用下拱桥地震响应分析。地震动沿顺桥向和竖向同时输入。近、远场地震动特性参数见表1。同时，为满足桥址地震动参数的要求，需要将时程波进行调幅处理。将所有地震动峰值调幅至0.30g 后输入模型，调幅后的加速度如公式（1）所示。

表1 近、远场地震动基本特性参数

式中：ag（t）为调幅后的加速度；ag（t）为调幅前的加速度；Ag为调幅前地震波加速度峰值。

3 桥梁结构自振特性分析

准确地掌握桥梁结构的自振特性是进行抗震性能分析的必要环节，提取拱桥前八阶振型的自振周期与振型特征，见表2。

表2 劲性骨架拱桥前八阶自振特性

根据表2 可以发现，大跨度劲性骨架拱桥的前八阶振型以主拱及主梁的横向弯曲和竖向弯曲为主。由于拱桥的跨度较大，主梁较为柔弱，随着主拱的横向弯曲与拱上立柱的纵向飘移，主梁的横、纵向变形会进一步加大。因此，在同类型铁路桥梁的减震设计中，应注意控制主梁和拱上立柱的位移。

4 脉冲型地震动作用下地震响应分析

通过动力时程分析分别计算并提取主拱圈、交界墩及拱上立柱的地震响应，以探明近、远场地震动作用下劲性骨架拱桥的响应规律。

4.1 主拱圈响应

根据文献[3]，选取拱脚、L/4 拱肋、L/2 拱肋（拱顶）3个主拱圈截面作为控制截面，分别以3 个截面位置处钢管应变、钢管内填混凝土应变及主拱肋位移为指标，研究近、远场地震动的响应差异。

主拱肋钢管及内填混凝土的应变响应如图3 所示。由图可知，近场地震动作用下主拱肋的钢管及内填混凝土应变响应均明显大于远场地震动。对钢管来说，3 个控制截面的应变分别增加了56.1%、17.3%和81.5%；对内填混凝土来说，3 个控制截面的应变分别增加了81.3%、39.7%和110.2%。显然，近场地震动对主拱肋跨中截面应变的影响更显著，其次为拱脚截面，这对跨中及拱脚截面的抗震设计提出了更高的要求。值得注意的是，与内填混凝土相比，钢管在近场地震动作用下承担了更多内力，应变变化率较大。主弦钢管的受力状况值得关注，需要采取一定的控制措施以防止钢管应力过大而进入屈服状态。

主拱肋的位移响应如图4 所示。由图可知，近场地震动作用下主拱肋的位移响应大于远场地震动。3 个控制截面的顺桥向位移分别增加了125.0%、58.0%和204.1%；竖向位移分别增加了27.5%、17.2%和9.9%。分析3 个主拱截面的位移可以发现，跨中截面的顺桥向位移增量最大，其次为拱脚截面；而拱脚截面的横桥向位移增量最大，其次为L/4 截面。总体来看，与于远场地震动相比，近场地震动作用下顺桥向位移的增量最明显。究其原因，近场地震动的PGV 明显高于远场地震动，见表2。

图4 主拱肋位移响应

4.2 交界墩及拱上立柱

地震动作用下，交界墩和拱上立柱为易损结构。参考有关学者研究结果[8]，选取交界墩J1、L/12 跨拱上立柱Z1、L/4 跨拱上立柱Z3 为研究对象，分析其与主拱固结位置截面的保护层混凝土、纵向钢筋、核心混凝土的应变响应，结果如图5 所示。

图5 交界墩及拱上立柱应变响应

由图5 可知，近场地震动作用下拱上墩柱的应变响应大于远场地震动。纵向受力钢筋对近场效应的敏感度远大于保护层混凝土和核心混凝土，因此近场效应显著增加了钢筋的应变。Z3、Z1、J1 三个拱上墩柱的混凝土应变受近场效应的影响逐渐减少，与远场地震相比分别增加了92.7%~112.9%、98.7%~232.9%和111.4%~141.1%；对纵向钢筋，J1、Z1、Z3 的钢筋应变与远场地震相比分别增加1155.3%、908.7%、472.6%。综上所述，应特别注意近场地震作用下交界墩J1的钢筋损伤和L/4主跨位置处立柱Z3的核心混凝土损伤。

5 结论

该文通过OpenSEES 有限元软件对某钢管混凝土劲性骨架拱桥进行非线性时程分析，对比了近、远场地震动作用下劲性骨架拱桥主要结构的地震响应，得到的主要结论如下：1）大跨度劲性骨架拱桥的前八阶振型以主拱及主梁的横向弯曲和竖向弯曲为主。随着主拱的横向弯曲与拱上立柱的纵向飘移，主梁的横、纵向变形会进一步加大，应注意控制主梁和拱上立柱的位移。2）近场地震动作用下主拱肋钢管及内填混凝土的应变响应、主拱肋的位移响应明显大于远场地震动。近场地震动效应对拱肋跨中截面应变的影响更显著，其次为拱脚截面；由于近场地震动的PGV 量值更高，因此顺桥向位移的增量最明显。3）近场地震动作用下拱上墩柱的应变响应大于远场地震动。近场效应显著增加了纵向钢筋的应变；L/4 主跨位置处立柱Z3的混凝土应变受近场效应的影响最大，应注意近场地震作用下交界墩J1 的钢筋损伤和立柱Z3 的核心混凝土损伤。