上王溝大橋抗震性能分析

王 偉，惠廣兒,馬玉剛

（陜西瑞特公路工程科技有限公司，陜西 西安 710065）

1 工程概況

一個(gè)良好的抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)能使各部分結(jié)構(gòu)合理地分擔(dān)地震力。這樣，各部分結(jié)構(gòu)都能充分發(fā)揮自身的抗震能力，對(duì)保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體抗震性能比較有利[1]。當(dāng)墩高相差較大時(shí)，采用高墩和主梁固結(jié)，以提高高墩的抗推剛度,改善相鄰墩剛度比，是使各個(gè)橋墩合理地分擔(dān)水平力的一種有效的方法。上王溝大橋是黃渭線黃龍至蒲城高速公路的一座跨深溝大橋，該橋最大墩高44 m，最小墩高20 m，高低墩相差較大。該橋上部為6×40 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部為柱式墩、柱式臺(tái)，樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)采用四氟滑板橡膠支座，1號(hào)、5號(hào)低墩采用普通板式橡膠支座，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)高墩采用墩梁固結(jié)。橋墩采用C30混凝土，縱筋均采用HRB400鋼筋，箍筋采用雙肢C12鋼筋。全橋總體布置見(jiàn)圖1所示。

2 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001）和《陜西省一般建設(shè)工程地震動(dòng)參數(shù)表》，地震動(dòng)峰值加速度：0.15g；反應(yīng)譜特征周期：0.40s。根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》的規(guī)定，本橋應(yīng)列為B類橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，在中震（E1）水平下，結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)，基本不損傷；在大震（E2）水平下，延性構(gòu)件（墩柱）可發(fā)生損傷，產(chǎn)生彈塑性變形，耗散地震能量，但延性構(gòu)件（墩柱）的塑性鉸區(qū)域應(yīng)具有足夠的塑性變形能力[1]。

根據(jù)橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合有限元分析程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了兩種水平地震下的響應(yīng)分析，中震下采用彈性反應(yīng)譜分析，并驗(yàn)證結(jié)構(gòu)構(gòu)件是否處于彈性階段；大震下采用彈塑性時(shí)稱分析，驗(yàn)證潛在的塑性構(gòu)件的破壞程度。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

3.1 有限元模型建立

全橋所有桿件均采用梁?jiǎn)卧M，支座采用彈性連接模擬，墩梁固結(jié)采用剛性連接模擬，地基剛度采用土彈簧模擬。全橋共劃分2940個(gè)節(jié)點(diǎn)，3601個(gè)單元，有限元模型見(jiàn)圖2所示。

3.2 動(dòng)力特性分析

針對(duì)前述模型采用多重Ritz向量法計(jì)算了結(jié)構(gòu)前60階模態(tài)，表1列出了結(jié)構(gòu)前10階自振頻率及振型特征。

該橋最大墩高超過(guò)40 m，高墩墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)形式第一階振型縱向有效質(zhì)量只占33.85%，高墩板式橡膠支座結(jié)構(gòu)形式第一階振型縱向有效質(zhì)量只占37.81%，為非規(guī)則橋梁，其動(dòng)力響應(yīng)特性復(fù)雜，橋梁抗震分析應(yīng)采用多振型反應(yīng)譜法和時(shí)程法。前十階振型既有縱向的面內(nèi)振動(dòng)，又有橫向的側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)，在結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮縱橋向和橫橋向的激勵(lì)。

4 地震響應(yīng)分析

4.1 中震（E1）反應(yīng)譜分析

采用有限元程序?qū)θ珮蜻M(jìn)行了順橋向、橫橋向彈性地震反應(yīng)譜分析計(jì)算，采用SRSS法取前60階振型進(jìn)行組合，以保證足夠的振型參與質(zhì)量，并計(jì)算了橋墩在最大軸力作用下的屈服彎矩，以判定各個(gè)橋墩是否屈服。兩種結(jié)構(gòu)形式橋墩在水平地震力和恒載作用下的最不利組合內(nèi)力及其所處的狀態(tài)見(jiàn)表2和表3所列。

圖1 全橋總體布置圖

圖2 全橋有限元模型

表1 結(jié)構(gòu)自振頻率及振型特征一覽表

表2 固結(jié)結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)譜分析水平激勵(lì)下的最大響應(yīng)一覽表

表3 支座結(jié)構(gòu)形式反應(yīng)譜分析水平激勵(lì)下的最大響應(yīng)一覽表

從表2、表3所列的結(jié)果可見(jiàn)，在中震（E1）地震力作用下，采用高墩墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)形式，低墩墩底彎矩減少19%～31%，高墩墩底彎矩增加21%～27%，各個(gè)墩墩底彎矩分布趨于均衡，高墩墩頂亦產(chǎn)生與墩底相當(dāng)?shù)膹澗?。高墩固結(jié)后，高墩墩底軸力減小，低墩墩底軸力增加，但是變化很小。

兩種結(jié)構(gòu)形式在中震下橋墩均保持在彈性范圍內(nèi)，且經(jīng)過(guò)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.9條驗(yàn)算承載力滿足要求，橋梁滿足中震下的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 大震（E2）彈塑性時(shí)程分析

在大震彈性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上，本文利用纖維梁柱單元模擬墩頂、墩底單元，進(jìn)一步分析了兩種結(jié)構(gòu)在大震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的塑性破壞過(guò)程。橋墩的地震與恒載組合內(nèi)力見(jiàn)表4和表5所列。

從表4、表5所列的結(jié)果可見(jiàn)，在大震（E2）地震力作用下，采用高墩墩梁固結(jié)形式，低墩墩底彎矩增加14%～27%，高墩墩底彎矩增加24%～37%，低墩墩底軸力減少8%～28%，高墩墩底軸力減少1%～11%；墩底軸力減少、彎矩增加使偏心距增大，墩柱的抗彎能力降低。高墩支座形式只有1號(hào)墩屈服，高墩固結(jié)形式1號(hào)、5號(hào)墩均屈服。

表4 固結(jié)結(jié)構(gòu)形式彈塑性時(shí)程分析水平激勵(lì)下的最大響應(yīng)一覽表

表5 支座結(jié)構(gòu)形式彈塑性時(shí)程分析水平激勵(lì)下的最大響應(yīng)一覽表

圖3、圖4分別為高墩墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)形式1號(hào)墩、高墩支座結(jié)構(gòu)形式1號(hào)墩墩底截面彎矩曲率關(guān)系圖。

由圖3、圖4可求得1號(hào)墩高墩固結(jié)形式截面曲率延性為5.5，高墩支座形式截面曲率延性為4.8，參照文獻(xiàn)[2]表5-8，可知其性能要求均位于可修復(fù)的損傷水準(zhǔn)。

圖3 固結(jié)形式1號(hào)墩截面彎矩曲率關(guān)系圖

圖4 支座形式1號(hào)墩截面彎矩曲率關(guān)系圖

圖5～圖7分別為高墩墩梁固結(jié)結(jié)構(gòu)形式1號(hào)、5號(hào)墩墩底纖維單元截面破壞圖和高墩支座結(jié)構(gòu)形式1號(hào)墩墩底纖維單元截面破壞圖示意。圖8為固結(jié)形式1號(hào)墩截面彎矩曲率曲線圖。

圖5 固結(jié)形式1號(hào)墩截面破壞示意圖

圖6 固結(jié)形式5號(hào)墩截面破壞示意圖

圖7 支座形式1號(hào)墩截面破壞示意圖

圖8 固結(jié)形式1號(hào)墩截面彎矩曲率曲線圖

由圖5～圖7可以看出，固結(jié)形式1號(hào)和5號(hào)墩墩底纖維單元保護(hù)層混凝土壓碎，核心約束混凝土處于彈性狀態(tài)，部分縱向鋼筋屈服；支座形式1號(hào)墩墩底纖維單元保護(hù)層混凝土壓碎，核心約束混凝土處于彈性狀態(tài)，部分縱向鋼筋屈服。表6及表7分別為固結(jié)結(jié)構(gòu)與支座結(jié)構(gòu)形式在大震下的墩底塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角表。

表6 固結(jié)結(jié)構(gòu)形式大震下的墩底塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角表

表7 支座結(jié)構(gòu)形式大震下的墩底塑性鉸區(qū)域的塑性轉(zhuǎn)角表

從表6和表7可知，兩種結(jié)構(gòu)形式在E2地震作用下墩柱的變形均滿足抗震規(guī)范要求。HRB400鋼筋和較大配箍率的采用，使約束核心混凝土強(qiáng)度提高達(dá)1.3倍，保證了墩柱混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性，在維持變形同時(shí)承載能力無(wú)顯著的損傷。表8、表9為兩種結(jié)構(gòu)形式在大震下的墩頂位移表。

從圖5～圖7、表8、表9可知，由于高墩墩梁固結(jié)形式塑性發(fā)展較快，兩個(gè)低墩都出現(xiàn)塑性，高墩墩梁固形式的墩頂位移大于高墩支座形式墩頂位移。

表8 固結(jié)結(jié)構(gòu)形式大震下的墩頂位移表（單位：cm）

表9 支座結(jié)構(gòu)形式大震下的墩頂位移表（單位：cm）

5 結(jié)論

（1）由動(dòng)力分析可知，由于橋梁整體剛度較小，結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)縱彎，隨后出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)、側(cè)彎。由于高墩固結(jié)后高墩抗推剛度變大，1號(hào)、5號(hào)低墩首先出現(xiàn)縱彎的現(xiàn)象，隨后固結(jié)高墩才出現(xiàn)縱彎，與彈塑性時(shí)程分析結(jié)果1號(hào)、5號(hào)墩首先發(fā)生屈服相一致，墩梁固結(jié)后振型的改變加速了低墩的屈服。

（2）墩梁固結(jié)后，上部豎彎振型的參與使得墩柱軸力增大或減小，對(duì)于受壓為主的墩柱都是不利因素，軸力減小使偏心距增大，軸力增大使抗彎承載能力下降越快，這在墩柱進(jìn)入塑性后尤為明顯。

（3）上王溝大橋橋墩在E1地震作用下，橋墩均在彈性范圍內(nèi)工作；在E2地震作用下，低墩墩底塑性鉸區(qū)混凝土保護(hù)層會(huì)剝落，部分縱向鋼筋屈服，其核心約束混凝土處于彈性狀態(tài)，震后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單維修即可繼續(xù)使用，高墩均處于彈性狀態(tài)，滿足抗震設(shè)防目標(biāo)。

（4）上王溝大橋結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性后，由于板式橡膠支座的減隔震性能，使得高墩采用板式橡膠支座的結(jié)構(gòu)形式抗震性能優(yōu)于高墩采用墩梁固結(jié)的結(jié)構(gòu)形式。

（5）墩梁固結(jié)后，可以避免了地震力作用下落梁的危險(xiǎn)，但使橋梁整體剛度增大，墩柱塑性發(fā)展變快，兩種結(jié)構(gòu)形式的抗震性能孰優(yōu)孰劣還需進(jìn)一步的深入研究。

[1]JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[2]（美）陳惠發(fā),（美）段煉 主編;蔡中民,武軍，等譯.橋梁工程抗震設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.