強(qiáng)震作用下預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁抗震性能研究

杜江梅　管舒嘯

摘? ?要：本文以功東高速公路某橋?yàn)檠芯繉?duì)象，基于Midas有限元分析軟件建立動(dòng)力分析模型，分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，同時(shí)，采用反應(yīng)譜和非線性時(shí)程分析方法研究橋墩及樁基在E1、E2地震作用下的地震響應(yīng)，為同類橋梁的抗震性能分析提供參考。

關(guān)鍵詞：預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁? 抗震性能? 反應(yīng)譜分析

中圖分類號(hào)：U442.55? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（c）-0045-05

Abstract：This paper takes a bridge in Gong shan -Dong chuan expressway project as an example，based on Midas finite element analysis software， a dynamic analysis model is established to analyze the dynamic characteristics of the structure，At the same time， the seismic response of piers and pile foundations under E1 and E2 earthquake actions is studied by response spectrum and non-linear time history analysis method，it provides reference for seismic performance analysis of similar bridges。

Key Words： Prefabricated bridge; Seismic performance; Response spectrum analysis

我國(guó)是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國(guó)家，特別是汶川大地震，再一次警示地震災(zāi)害帶來(lái)的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失、對(duì)自然環(huán)境破壞都是災(zāi)難性的。云南部分地區(qū)處于8度、9度地震高烈度區(qū)，因此在很多橋梁工程設(shè)計(jì)中對(duì)橋梁的抗震設(shè)計(jì)有著更高的要求。了解橋梁的各種震害類型，在具體的橋梁抗震設(shè)計(jì)中進(jìn)行合理抗震設(shè)計(jì)，提高橋梁安全性。

1? 工程背景

本橋全橋共2聯(lián)：4×30+3×30，簡(jiǎn)支T梁，橋面連續(xù)，全橋均設(shè)置GYZ d400×99型板式橡膠支座。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）T梁，主梁高度為2.0m;左線2#～5#墩采用空心墩，7.5m×7.5m×2.5m承臺(tái)接四根φ1.8m鉆孔樁基礎(chǔ)，其余橋墩采用φ2.0m雙柱式墩，φ2.2m鉆孔樁基礎(chǔ)。起點(diǎn)側(cè)采用雙柱式臺(tái)，φ1.6m鉆孔樁基礎(chǔ)，終點(diǎn)側(cè)采用肋板臺(tái)，φ1.6m鉆孔樁基礎(chǔ)，其立面布置如圖1所示。

2? 動(dòng)力特性分析

主梁、橋墩和樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M，其中主梁采用單主梁模型。由于各橋墩處均使用了樁基礎(chǔ)，考慮樁-土相互作用，因此本文采用M法計(jì)算土彈簧對(duì)樁基進(jìn)行模擬[5]。彈簧剛度根據(jù)土層狀況和樁的布置形式按靜力等效原則確定，由土性資料確定m值。并考慮動(dòng)力荷載對(duì)土具有剛度強(qiáng)化作用（強(qiáng)化系數(shù)取2.0），承臺(tái)和群樁基礎(chǔ)交接處采用主從連接模擬。對(duì)于支撐連接條件模擬：在線性計(jì)算模型中，由于不考慮板式橡膠支座與梁底的滑動(dòng)效應(yīng)，板式橡膠支座采用線性彈簧單元模擬，線性彈簧的剛度采用板式橡膠支座的剪切剛度，各支座均采用板式橡膠支座。

根據(jù)本橋的特點(diǎn)，建立全橋的動(dòng)力計(jì)算模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行其動(dòng)力特性和地震反應(yīng)分析。兩側(cè)橋臺(tái)做為邊界條件，考慮其對(duì)橋梁的影響，模型中考慮了P-Δ效應(yīng)，橋梁Midas有限元模型如圖2所示。

根據(jù)計(jì)算模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，本文給出了前5階振型、頻率及振型特征，見(jiàn)表1。

3? 地震響應(yīng)計(jì)算結(jié)果

本橋所處地區(qū)地震動(dòng)加速度為0.4g以上，屬于地震烈度9度區(qū)，按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01-2008）中的規(guī)定屬于B類橋梁[1]，采用E1地震作用（50年超越概率10%，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)0.5）和E2地震作用（100年超越概率5%）兩種地震動(dòng)水平進(jìn)行抗震設(shè)防。

當(dāng)動(dòng)力模型為線性模型時(shí)，可以應(yīng)用反應(yīng)譜法進(jìn)行地震反應(yīng)分析。采用反應(yīng)譜分析時(shí)，取前300階模態(tài)分析，按CQC方法進(jìn)行振型組合。非線性時(shí)程反應(yīng)分析時(shí)考慮了板式橡膠支座梁底的滑動(dòng)效應(yīng)，按照規(guī)范采用三條地震動(dòng)加速度輸入，取三條地震動(dòng)加速度輸入計(jì)算出的最大值作為最終結(jié)果。限于篇幅，本文僅探討墩高最高的3#、4#空心墩和1#雙柱式墩及其支座在地震響應(yīng)下的計(jì)算結(jié)果。

3.1 E1地震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

利用反應(yīng)譜分析方法，可以得到橋墩關(guān)鍵截面地震響應(yīng)，此處列出地震橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力結(jié)果（表2）、支座響應(yīng)及對(duì)板式橡膠支座是否滑動(dòng)的檢驗(yàn)（表3）。

3.2 E2地震作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

利用非線性時(shí)程分析方法，得到橋墩關(guān)鍵截面地震響應(yīng)、支座響應(yīng)以及對(duì)板式橡膠支座是否滑動(dòng)的檢驗(yàn)（表4、表5）。

橋梁抗震計(jì)算結(jié)果表明，E2地震下梁底支座均超過(guò)臨界滑動(dòng)狀態(tài)而發(fā)生不同程度滑移，支座的滑移大大降低了下部結(jié)構(gòu)墩柱和樁基的地震響應(yīng)，但與此同時(shí)也增加了落梁的風(fēng)險(xiǎn)。由于橋梁縱、橫向設(shè)計(jì)要求不同，設(shè)計(jì)中應(yīng)區(qū)別對(duì)待，在縱橋向應(yīng)設(shè)置防止落梁的混凝土擋塊，擋塊與橋墩之間預(yù)留足夠的地震位移;橫橋向應(yīng)設(shè)置具有減震效果的鋼擋塊，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用混凝土擋塊（計(jì)算時(shí)假設(shè)梁體與橋墩、橋臺(tái)間在橫橋向?yàn)閯偨樱┫啾?，結(jié)構(gòu)抗震性能將大大提高。

4? 結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算

4.1 E1地震作用下抗震驗(yàn)算

在E1地震作用下，分別輸入縱向、橫向地震作用，在縱、橫橋向分別驗(yàn)算各橋墩，各相關(guān)橋墩關(guān)鍵截面驗(yàn)算見(jiàn)表6，表7。

由上述驗(yàn)算表格知，各橋墩在設(shè)計(jì)配筋率[4]下，橋梁在E1地震作用下的抗震性能可以滿足要求。

4.2 E2地震作用下抗震驗(yàn)算

由于E2地震作用下，所有板式橡膠支座均已滑動(dòng)，形成類似減隔震體系的效果。因此在對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，參照《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于減隔震橋梁的規(guī)定[2]，將橋梁地震力需求除以1.5的系數(shù)后進(jìn)行驗(yàn)算;要求橋墩的最不利地震彎矩需求小于截面等效屈服彎矩。

E2地震縱、橫向作用下，各相關(guān)橋墩關(guān)鍵截面驗(yàn)算見(jiàn)表8、表9。

在E2縱向+豎向地震作用下，柱式墩墩底進(jìn)入屈服狀態(tài)，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T B02-01—2008）需驗(yàn)算墩頂位移及墩柱抗剪強(qiáng)度[3]，計(jì)算結(jié)果如表10、表11。

由上述驗(yàn)算表知，各橋墩在設(shè)計(jì)配筋率下，橋梁在E2地震作用下的抗震性能可以滿足要求。

5? 結(jié)語(yǔ)

E1地震作用下，各橋墩在縱橋向和橫橋向地震輸入時(shí)，其關(guān)鍵截面在設(shè)計(jì)配筋率下均保持彈性工作狀態(tài)，板式橡膠支座變形能力及抗滑性能均能滿足抗震性能要求;E2地震作用下，在縱橋向地震輸入下，1#柱式墩關(guān)鍵截面屈服，但變形能力滿足要求;3#、4#橋墩關(guān)鍵截面均能滿足彈性工作狀態(tài)。但墩頂設(shè)置的板式橡膠支座縱向和橫向均已滑動(dòng)，需要通過(guò)對(duì)逐墩采用縱、橫向擋塊對(duì)主梁進(jìn)行限位，防止落梁。

對(duì)于不需進(jìn)行抗震計(jì)算或無(wú)法進(jìn)行計(jì)算模擬的橋梁狀態(tài)，合理的抗震措施對(duì)保證橋梁抗震性能有重要作用。實(shí)際工作中，除了通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形驗(yàn)算來(lái)評(píng)價(jià)橋梁的抗震性能外，還需對(duì)結(jié)構(gòu)各種構(gòu)造細(xì)節(jié)及抗震措施進(jìn)行檢查，以達(dá)到全面、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)橋梁抗震性能的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2011.

[2] CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 中國(guó)建材工業(yè)出版社，2011.

[3] 范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.橋梁延性抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2001.

[4] 張樹(shù)仁，鄭紹珪，黃僑，等.鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京：人民交通出版社，2004.

[5] 范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.