關(guān)防大橋地震響應(yīng)時程分析

結(jié)合JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》介紹了香麗路關(guān)防大橋抗震分析，通過時程曲線法對橋墩進行非彈性分析；有關(guān)計算過程可供相關(guān)設(shè)計人員參考。

抗震分析; 時程分析法; 塑性鉸

U442.5+5 A

［定稿日期］2021-11-25

［作者簡介］高金亮（1985—），男，碩士，高級工程師，研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。

香格里拉至麗江高速公路起于香格里拉市南，止于麗江市雄古鄉(xiāng)白漢場接大理至麗江高速公路，該高速公路對完善滇西北公路網(wǎng)和構(gòu)筑滇川藏“大香格里拉”旅游圈具有重要意義，也是云南省藏區(qū)第一條高速公路。該區(qū)域由于地處橫斷山脈，山高坡陡、地形復(fù)雜，所以采用了許多橋梁跨越河谷及深溝，下部結(jié)構(gòu)一般為高墩且橋墩高差較大，所在區(qū)域為地震高烈度區(qū)，高墩橋梁受震被破壞后很難短時間修復(fù)，因此橋梁的抗震計算十分重要。

1 橋梁抗震分析方法

JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》將橋梁分為規(guī)則橋梁和非規(guī)則橋，規(guī)則橋梁可采用單振型或多振型反應(yīng)譜法；非規(guī)則橋梁采用多振型反應(yīng)譜或時程分析法。反應(yīng)譜法的原理是把多自由度體系分解為若干個單自由度體系震動的組合，其計算較為簡單，但只能分析線彈性結(jié)構(gòu)狀態(tài)。時程分析法是對結(jié)構(gòu)的運動過程進行逐步積分得到的一種動力分析方法，可計算出地震過程中每一瞬時結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度反應(yīng)，較為準確的計算出結(jié)構(gòu)在地震過程中的內(nèi)力和位移隨時間的反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震過程中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)或可能發(fā)生的震害。

對于非規(guī)則橋梁和受力較為復(fù)雜的橋梁，只有采用非線性時程分析法才能正確的計算結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)。

2 模型建立

2.1 工程概況

本文以關(guān)防大橋為實例。該橋位于關(guān)防村K47+490處，上跨溫浪河；關(guān)防大橋半幅寬12.25 m，上部結(jié)構(gòu)采用5×30 m先簡支后連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩；第1～4號橋墩高度依次為：9 m、35 m、46 m、26 m，本文選取最不利的3號橋墩進行地震響應(yīng)時程分析。本橋地震動峰值加速度為0.2g，地震加速度反應(yīng)譜特征周期為0.4 s，場地類型為II類。橋梁布置見圖1。

2.2 有限元模型及計算方法

本橋采用Midas Civil有限元軟件建立三維空間桿系模型，進行地震響應(yīng)時程分析；橋墩及橋臺蓋梁頂面均設(shè)置了縱向及橫向限位擋塊來確保T梁與蓋梁共同受力，模型中采用彈性連接使得T梁與蓋梁水平向位移相同（實際地震時，梁體碰撞限位擋塊使得擋塊產(chǎn)生大位移的變形來耗能，最終擋塊破壞甚至失效）；橋墩樁基采用“m”法（土彈簧）模擬，在軟件中通過節(jié)點彈性支撐來實現(xiàn)；橋梁有限元模型見圖2。

2.3 時程分析參數(shù)

其中3號橋墩最大墩高46 m，已大于JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的30 m，屬于非規(guī)則橋梁，需采用時程分析法進行抗震分析。通常需選取2組實際強震記錄和1組人工模擬的加速度時程曲線，再將3組數(shù)值取平均后與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線做比較，得出響應(yīng)的地震波，此方法較為復(fù)雜不便于設(shè)計人員掌握。本文推薦廣東省《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計規(guī)程》，可直接根據(jù)特征周期和場地類別選用對應(yīng)的地震波，通過幅值系數(shù)調(diào)整峰值。

3 時程分析法計算結(jié)果

采用集中鉸彈塑性梁單元對橋梁延性構(gòu)件橋墩進行模擬，在E2地震作用下對橋墩進行Pushover分析，可以得到墩底截面的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，以及橋墩的最大彎矩、軸力、墩頂最大位移等（圖3）。

通過模型計算結(jié)果，橫橋向的塑性鉸首先出現(xiàn)在系梁兩端與墩柱連接處，表明系梁先發(fā)生塑性變形產(chǎn)生破壞，這對墩柱受力是有利的；圖3順橋向塑性鉸最大處發(fā)生在1號墩的地面附近。對于上部結(jié)構(gòu)連續(xù)的橋梁，地震時由于上部結(jié)構(gòu)與墩頂位移相同，橋墩越高則橋墩頂?shù)椎南鄬ξ灰圃叫?，橋墩底部彎矩越小，所以矮墩受力最不利，矮墩的墩底彎矩最大，同樣矮墩最先進入塑性階段。下文以進入塑性階段的1號橋墩墩底單元做具體分析。

圖4墩底彎矩在4.87 s達到最大值8 864 kN·m，在3.87 s達到最小值-9 458 kN·m；通過圖4可以清晰地看到在地震過程中橋墩的彎矩隨著時間變化，對應(yīng)位置轉(zhuǎn)角及墩頂位移也隨著時間在變化，變化趨勢和彎矩圖大致相同。圖5直觀地反映了墩底彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線關(guān)系，黑線范圍包含的面積越大表明墩柱消耗的地震能力越多；由于墩底截面剛進入塑性階段，因此彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線不是很飽滿。

本橋各個橋墩的高度變化較大，導(dǎo)致高度最矮的橋墩受力最不利最先進入塑性階段；如果最矮的橋墩塑性轉(zhuǎn)角較大則需通過增加矮墩的截面來增大墩柱剛度。山區(qū)橋梁由于各個橋墩高度差異較大，因此必須通過有限元計算來判斷各個橋墩是否進入塑性階段，調(diào)整各個橋墩的剛度使得一聯(lián)中各個橋墩受力相對均勻，并判斷最大轉(zhuǎn)角是否滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文通過Midas Civil有限元軟件對橋梁下部結(jié)構(gòu)采用時程分析法進行抗震分析，橋墩墩頂位移、墩底截面轉(zhuǎn)角及彎矩等均隨時間發(fā)生變化，通過軟件可以直接判斷哪些位置發(fā)生了塑性變形；本文所用時程分析法選取地震波的過程及塑性分析結(jié)果直觀，對山區(qū)高差大的非規(guī)則橋梁的抗震分析具有借鑒意義，可供廣大工程設(shè)計者參考。

參考文獻

［1］ 公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范： JTG/T 2231-01-2020［S］.

［2］ 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范： JTG 3362-2018［S］.

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

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