不同場地條件下曲線梁橋抗震性能研究

武兆馳

(中國中鐵四局集團第二工程有限責任公司，江蘇蘇州 215131)

不同場地條件下曲線梁橋抗震性能研究

武兆馳

(中國中鐵四局集團第二工程有限責任公司，江蘇蘇州 215131)

為了研究不同場地條件對曲線梁橋抗震性能的影響，依據(jù)美國NEHRP場地劃分規(guī)則，按照譜兼容的原則選擇符合不同場地類型的天然地震動，并以一座曲線連續(xù)梁橋為例，對其進行了地震作用下的動力彈塑性分析，完成了不同場地條件下曲線連續(xù)梁橋的抗震分析。研究結果表明：場地條件會對曲線梁橋結構的響應產(chǎn)生顯著的影響，并且結構響應從A類場地到E類場地依次增加。因此在曲線梁橋的抗震設計中如果忽略場地條件帶來的影響，將會過低地估計結構的響應。

橋梁工程； 曲線梁橋； 場地條件； 抗震分析

處于不同場地條件的建筑結構在同一次地震中往往會表現(xiàn)出不同程度的損傷，這是由于場地條件會對地震動的特性產(chǎn)生較大的影響。這些影響主要體現(xiàn)在對地震動的幅值和頻譜特性的改變，具體表現(xiàn)為對地震動的放大和縮小，進而直接影響到建筑物的破壞程度[1-2]。在1906年美國發(fā)生舊金山大地震后，Wood[3]對震中區(qū)附近的震害進行了現(xiàn)場調查時發(fā)現(xiàn)不同場地條件上的建筑物差異十分明顯，并且隨后的全球強震記錄以及震害調查資料都與Wood給出的結果相一致。這使得如何正確估計場地條件對工程結構的影響成為地震工程學的熱點問題。對于橋梁在不同場地條件下的地震響應，各國學者已經(jīng)進行了較為廣泛的研究，如簡支梁橋[4]、大跨橋梁[5]、鋼管混凝土橋[6]、高墩橋[7-8]、斜拉橋[9]等。

1 工程概況

為了研究不同場地條件對曲線梁橋抗震性能的影響，本文以一座跨徑布置為4×40 m、曲率半徑為R=100 m的曲線連續(xù)混凝土梁橋為例。其主梁截面形式采用頂板寬12 m、底板寬7.5 m的單箱雙室結構，外側懸臂端板長為2.25 m，懸臂端部厚度為0.15 m，懸臂根部厚度為0.45 m；箱梁頂板厚0.25 m，箱梁端部厚度增至0.45 m，箱梁底板厚0.25 m，箱梁端部厚度增至0.45 m；梁高為2 m，腹板厚0.05 m；蓋梁長度為10.7 m，橫截面形式為1.6 m×1.7 m；在3#中間墩兩圓柱形橋墩之間布設的橫系梁尺寸為0.12 m×0.1 m×0.6 m；1#、2#、4#、5#橋墩直徑為1.5 m，3#橋墩直徑為2 m，均為圓形雙柱墩；1#、5#橋墩墩高17 m，2#、4#橋墩墩高20 m，3#橋墩墩高25 m。主梁采用C40混凝土，蓋梁和橋墩采用C30混凝土。各個蓋梁頂面對稱布置兩個盆式橡膠支座，其中1#、2#、4#、5#墩布設順橋向單向滑動支座，3#中間墩布設固定支座。圖1為全橋整體布置圖。

圖1 全橋整體布置(單位：cm)

2 有限元模型建立

對于上述曲線梁橋結構，以Ansys有限元軟件為平臺，建立了全橋動力分析三維有限元模型。主梁、橋墩均采用每個節(jié)點具有6個自由度(3個平動和3個轉動)的兩節(jié)點梁單元(beam189)進行模擬。盆式橡膠支座采用雙線性理想彈塑性彈簧單元(combin39)模擬,墩底處的支撐采用約束所有自由度的固定支撐。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型(單位：cm)

對于1#、2#、4#及5#墩墩頂布置的單向滑動支座，按照橋梁抗震規(guī)范[10]采用雙線性滯回模型進行模擬(圖2)。支座的初始剛度按式(1)計算：

(1)

式中：μ為摩擦系數(shù)，依據(jù)支座試驗結果取值為0.15；d為屈服位移，取值為0.0025；N為支座對上部結構的支反力。各支座詳細參數(shù)如表1所示。

3 地震波的選取

對于場地效應的研究，依據(jù)美國NEHRP場地分類標準[11]來劃分場地，并使用PEER-NGA譜模型[12]來生成目

表1 滑動支座等效模型的計算參數(shù)

標譜。這是因為PEER-NGA譜模型通過Vs30來確定場地分類，可以和NEHRP場地劃分標準很好的相對應。為了使結果具有一般性，每種場地條件下均選擇了3條符合要求的地震動時程記錄，每條地震動分別沿X向、Y向及X+Y向進行輸入，其中X向為兩橋臺連線方向，Y向為垂直于兩橋臺連線方向。此外，由于地震動均包含了兩個方向的加速度時程，即FN(垂直于斷層)向和FP(平行于斷層)向，因此定義峰值較大的那個方向的加速度時程為主地震動時程，另外一個方向的加速度時程為次地震動時程。在進行單向輸入時，分別沿X向和Y向輸入，并且每個方向的輸入均采用主加速度時程。而對于雙向輸入，將分為兩種情形：在第一種情形中，X向采用主加速度時程，Y向采用次加速度時程，激勵方向記為XY向激勵；第二種情形反之，激勵方向記為YX。所有工況如表2所示，圖3給出了對應于各類場地的實際地震動加速度時程。

圖3 不同場地條件下所選各地震動的加速度時程

表2 對于場地效應研究的工況設置

4 計算結果分析

按照第3節(jié)所列出的工況，基于OPENSEES有限元平臺采用彈塑性時程分析方法研究了場地效應對曲線梁橋結構抗震響應的影響。為了衡量在不同場地條件下地震作用所引起的加速度響應大小，本文采用了Arias強度即AI(Arias Intensity)來表示結構加速度響應的大小。AI是由Arias提出的以時域方法描述地震動潛在破壞趨勢的一個參數(shù)[13]，其數(shù)學表達式為：

(2)

對于橋墩墩頂?shù)募铀俣软憫狝I，本文以3#橋墩為例，圖4、圖5分別給出了在單向輸入和雙向輸入下橋墩切向和徑向加速度響應的AI。從圖3可以看出場地條件從A變化到E，在單向激勵下墩頂加速度響應的AI逐漸變大。從圖4中也可以發(fā)現(xiàn)對于雙向激勵橋墩加速度響應的AI也有相同的規(guī)律。此外還可以發(fā)現(xiàn)，相對于A類場地，E類場地對墩頂加速度響應的放大作用最為明顯。從圖4中可以看出，對于切向響應，主方向為Y向時對橋墩加速度響應的放大作用更為明顯；而對于徑向響應，當主方向為X向時對橋墩加速度響應的放大作用更為明顯。

(a)切向響應

(a)切向響應

(b)徑向響應圖5 雙向輸入下墩頂加速度響應AI

圖6、圖7給出了橋梁結構在不同場地條件下受單向激勵和雙向激勵時的橋墩相對位移。從圖5可以看出，在單向激勵下橋墩的相對位移從A類場地到E類場地依次增大。從圖6也可以看出在雙向激勵下，橋墩相對位移從A類場地到E類場地依次增大。同時還可以發(fā)現(xiàn)，曲線梁橋在C類場地和D類場地條件下的橋墩相對位移比較接近。

圖8給出了在單向激勵和雙向激勵下不同場地條件的支座位移。從圖7中可以看出，與墩頂加速度響應AI和橋墩相對位移類似，支座變形也從A類場地到E類場地依次增大。場地條件對支座位移、墩頂加速度以及橋墩變形均產(chǎn)生了顯著影響。

(a)切向響應

(b)徑向響應圖6 單向輸入下橋墩相對位移

(a)切向響應

(b)徑向響應圖7 雙向輸入下橋墩相對位移

5 結論

本文基于一座典型的曲線梁橋，研究了不同場地條件對其地震響應的影響。針對每種場地條件均選擇了3條實際地震記錄，并進行了動力彈塑性分析，對比了曲線梁橋在不同場地條件下的地震響應，可以得出以下結論：

(1)場地條件對曲線梁橋的墩頂加速度響應、橋墩相對位移以及支座變形均產(chǎn)生了明顯的影響。并且結構響應從A類場地到E類場地依次增大；

(2)場地條件會引起結構響應產(chǎn)生顯著的變化，如果在曲線梁橋的抗震設計中不考慮場地條件的影響，將會低估結構的響應。

(a)單向輸入

(b)雙向輸入圖8 支座位移

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武兆馳(1978～)，男，工程師，主要研究方向：橋梁施工及結構空間行為。

U442.5+5

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[定稿日期]2014-11-07