E2地震作用下某連續(xù)梁橋抗震性能分析

時(shí)小梅

(魯南高速鐵路有限公司，山東 濟(jì)南 250102)

橋梁作為跨越障礙物的建筑物，在人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和日常生活中發(fā)揮著巨大的作用，連續(xù)梁橋由于施工簡(jiǎn)單、能夠裝配式作業(yè)等特點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)由于地處亞歐板塊與太平洋板塊之間，近年來(lái)地震頻發(fā)，造成了大量橋梁毀壞甚至倒塌，不僅導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給救援工作帶來(lái)了不便[1]，因此開(kāi)展連續(xù)梁橋的抗震性能研究具有重要的意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)連續(xù)梁橋的抗震開(kāi)展了諸多研究。文獻(xiàn)[2]基于地震易損性通過(guò)設(shè)置不同的減震措施對(duì)連續(xù)梁橋的減隔震措施進(jìn)行了研究，指出高烈度地區(qū)連續(xù)梁須通過(guò)減隔震設(shè)計(jì)達(dá)到抗震設(shè)防要求。文獻(xiàn)[3]通過(guò)輸入E2水平的強(qiáng)震，對(duì)城市連續(xù)梁橋雙柱墩墩頂容許位移進(jìn)行了分析計(jì)算，闡述了計(jì)算方法和流程。文獻(xiàn)[4]以某大跨長(zhǎng)聯(lián)波形鋼腹板連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)其隔震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，得出采用速度鎖定器+摩擦擺支座復(fù)合抗震的措施可有效改善結(jié)構(gòu)受力。文獻(xiàn)[5]以干海子特大橋?yàn)楣こ瘫尘埃O(shè)置不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)工況，研究了鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)，研究結(jié)果表明合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置可以有效降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]研究了某4跨連續(xù)梁橋鉛芯橡膠支座減隔震的分析方法，考慮結(jié)果誤差，設(shè)計(jì)時(shí)建議對(duì)規(guī)則橋梁簡(jiǎn)化分析結(jié)果乘以1.1的安全系數(shù)。以上有關(guān)連續(xù)梁地震響應(yīng)的研究，大多集中于減隔震措施及參數(shù)設(shè)置方面，但均未涉及連續(xù)梁橋自身的抗震性能研究。

本文以某(3×25 m)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃⑷珮騇IDAS CIVIL有限元模型，輸入E2水平下的3條地震動(dòng)，通過(guò)動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法從強(qiáng)度角度分析了該連續(xù)梁橋的抗震性能，并對(duì)本橋抗震性能做出評(píng)估。

1 工程概況及有限元模型建立

1.1 工程概況

某裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋(見(jiàn)圖1)，跨徑布置為3×25 m，主梁采用箱型截面。該橋箱梁采用C50混凝土，蓋梁、墩柱采用C35混凝土，樁基采用C30混凝土。邊墩樁長(zhǎng)50 m，樁基為直徑1.3 m的圓形截面；中墩樁長(zhǎng)60 m，樁基為直徑1.5 m的圓形截面；中墩為直徑1.2 m的圓形截面。該橋按照延性構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.15g，抗震措施按抗震設(shè)防烈度8度設(shè)計(jì)。

圖1 某裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋立面圖(單位：cm)

1.2 建立有限元模型

采用MIDAS對(duì)某(3×25 m)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱型連續(xù)梁橋建立有限元分析模型。全橋由350個(gè)節(jié)點(diǎn)和325個(gè)單元組成，箱梁、蓋梁、墩柱、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M，二期恒載為160 kN/m，樁底采用一般支撐，約束其平動(dòng)自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，對(duì)于樁土之間的作用采用彈簧來(lái)模擬，彈簧的剛度按“m”法計(jì)算[7]，左邊墩與主梁間模擬固定支座連接，其與墩梁間模擬活動(dòng)支座連接。有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元分析模型

2 動(dòng)力特性分析

表1中給出了模型前5階的動(dòng)力特性。根據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)抗震規(guī)范可知，結(jié)構(gòu)的自振周期與其自身的剛度成反比，從延性角度進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，較大的自振周期在一定范圍內(nèi)有助于減弱地震響應(yīng)。另外，結(jié)構(gòu)自振周期是決定地震影響系數(shù)的重要因素，在相同的震級(jí)和場(chǎng)地條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期與場(chǎng)地的特征周期越接近則水平地震影響系數(shù)越大。

表1 連續(xù)梁橋動(dòng)力特性

3 地震動(dòng)輸入

依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/TB02-01-2008)》并結(jié)合橋梁類型、橋址處場(chǎng)地土特性及地震設(shè)防要求，本連續(xù)梁橋?yàn)锽類橋梁，場(chǎng)地土屬于Ⅱ類場(chǎng)地，按照8度抗震設(shè)防烈度要求，本文選用安評(píng)報(bào)告中E2水平下3條地震波，所選地震波加速度分別為0.23g、0.21g及0.24g。地震動(dòng)按照(順+豎)的方式輸入，豎向加速度按照水平向的65%取值。圖3～圖5為所選地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線。

圖3 第1條安評(píng)地震動(dòng) 圖4 第2條安評(píng)地震 圖5 第3條安評(píng)地震動(dòng)

4 抗震性能分析

4.1 地震響應(yīng)結(jié)果

恒載單獨(dú)作用下的內(nèi)力見(jiàn)表2，E2地震作用下的恒載與地震作用組合列于表3，地震作用下的內(nèi)力取3條地震波作用下的最大值。表中內(nèi)力組合為恒載內(nèi)力和地震作用之和，最大軸力為地震軸力與恒載軸力之和，最小軸力為兩者之差。

由表3可知，在恒載和E2地震作用下， 通過(guò)對(duì)比可知，在(順+豎)方式輸入下，無(wú)論是最大軸力還是最小軸力，中墩均大于邊墩，故中墩為最大軸力墩；從面內(nèi)角度分析，最大彎矩和剪力均出現(xiàn)在邊墩，邊墩為最大受力墩；從面外角度分析，最大彎矩和剪力均出現(xiàn)在中墩，中墩為最大受力墩；由地震響應(yīng)結(jié)果可以看出，順橋向地震響應(yīng)遠(yuǎn)大于橫橋向地震響應(yīng)，設(shè)計(jì)時(shí)順橋向起控制作用。

表2 恒載的內(nèi)力

注：面內(nèi)指橋梁立面所在平面，面外指橋梁橫截面所在平面，下同。

表3 E2地震作用與恒載的內(nèi)力組合

4.2 抗震性能分析

本節(jié)應(yīng)用UCfyber彎矩曲率計(jì)算軟件分析了墩底截面的屈服彎矩，控制截面的屈服彎矩列于表4，其中，MyP表示順橋向屈服彎矩，MzP表示橫橋向屈服彎矩，由于控制截面均為圓形截面，所以順橋向屈服彎矩與橫橋向屈服彎矩相同。

由表4可知，最大軸力作用下，邊墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為5 035 kN·m，中墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為4 069 kN·m；最小軸力作用下，邊墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為5 024 kN·m，中墩墩底順橋向和橫橋向屈服彎矩均為4 045 kN·m。本橋在E1地震作用下各構(gòu)件均處在彈性狀態(tài)，對(duì)比表2和表3可知，在恒載和E2地震作用下，本橋關(guān)鍵截面的最大彎矩小于其屈服彎矩，且具有一定的安全儲(chǔ)備，可見(jiàn)本橋具有良好的抗震性能。

表4 順橋向輸入時(shí)控制截面的屈服彎矩

5 結(jié)論

(1)該連續(xù)梁橋自振周期較小，通過(guò)動(dòng)力特性分析可知，其第一階自振周期為2.562 s，振型為主梁橫向彎曲振動(dòng)。

(2)地震動(dòng)在(順+豎)方式輸入下，順橋向地震響應(yīng)遠(yuǎn)大于橫橋向地震響應(yīng)，在設(shè)計(jì)中順橋向起控制作用。

(3)在恒載和E2地震共同作用下，本橋邊墩墩底彎矩和中墩墩底彎矩均小于其屈服彎矩，且有一定的安全儲(chǔ)備；從強(qiáng)度角度分析，本橋抗震性能良好。