賽果高速高墩展線橋抗震性能分析

2013-05-05 07:07:40吳靜秋

交通科技 2013年2期

王竹吳靜秋向陽

（中國公路工程咨詢集團有限公司北京 100097）

抗震概念設計（seismic concept design）是指根據工程抗震基本理論及長期工程抗震經驗總結等獲得的基本設計原則和設計思想，正確地解決總體方案、結構布置、材料使用和細部構造等，以便達到合理抗震設計的目的。抗震計算設計（seismic numerical design）是指依據一定的結構簡化模型，按地震作用計算、內力分析及組合、強度計算、構造措施等的抗震數值分析［1－2］。抗震概念設計是對結構抗震性能方向性的把握，起主導作用；抗震計算設計以抗震概念設計為前提，是對抗震概念設計的補充完善和精確化［3－6］，以從根本上消除結構中的抗震薄弱環節，再輔以必要的計算和構造措施，使設計出的結構具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。

1 抗震概念設計

賽果高墩展線橋為預應力連續梁結構，墩高最大達66.73 m，設計地震動峰值加速度：0.18 g。基于本橋的結構特點，在抗震設計中，提出以下抗震概念設計：

（1）基礎形式設計。采用整體性較好的樁基礎，樁基礎嵌入基巖。

（2）高墩設計。因墩高達66.73 m，長細比較大，為提高墩身的剛度，減少墩頂的位移，墩身沿高度方向采用變截面箱型墩，下大上小。

（3）墩身水平力的分配。因地震烈度較大，上構對墩身的水平力較大，因此，對于墩高較高的連續墩，均設置縱向固定支座，以便上構對墩身的水平力由3個墩身同時承擔。

（4）支座設計。因結構的地震響應較劇烈，為改善結構的抗震性能，支座采用減隔震支座。

2 結構抗震分析

選取具有代表性的一聯結構進行分析，K577＋484左幅特大橋40～44號墩及耦聯的K577＋492右幅特大橋39～43號墩。

建模時為了計算精確，把計算聯的左右相鄰聯也一起建出。計算聯和相鄰聯通過伸縮縫分開，并在伸縮縫處添加了可考慮橋梁碰撞影響的Combin單元，見圖1。

圖1 Combin單元設置示意圖

2.1 抗震計算模型

分析計算采用的是大型通用有限元分析程序ANSYS，主梁和橋墩均采用ANSYS空間梁單元Beam188，該單元為鐵木辛柯梁單元，具有一次插值形函數，通過細化的網格劃分，可以有效地模擬各類梁柱構件的性能。

按照實際尺寸建立左幅特大橋36～47號橋墩（3聯）樁基模型，考慮樁土共同工作，通過計算得到不同深度的側向剛度，等效為土彈簧進行模擬。與之耦聯的右幅特大橋35～46號墩（3聯）樁基模型通過計算嵌固深度考慮，在保證精度的前提下減少模型節點數目，提高運算效率。左幅特大橋40～44號橋墩（3聯）結構有限元模型見

圖2 左幅特大橋40～44號橋墩（3聯）結構計算模型

2.1.1 支座的模擬

因結構的地震響應較劇烈，為改善結構的抗震性能，支座采用減隔震支座。通過支座的力學試驗可知，支座在動力荷載作用下力和位移的曲線見圖3。

圖3 力和位移的曲線

從圖3可見，支座具有非線性性能。其中：QY為屈服剪力；K1為屈前剛度；K2為屈后剛度。采用雙線性模型表達隔震支座的本構關系，雙線性模型圖見圖4。

圖4 雙線性模型圖

在橋梁的正常運營情況下，第一剛度K1足以抵抗風等水平荷載，支座處于彈性工作階段，保證橋梁的安全運營。在地震作用下，由于支座水平變形較大，超出屈服點后，進入第二剛度K2。雙線性模型K1，K2圍成了滯回面，起到了耗能的作用，降低地震對上部結構的作用。同時，由于采用橡膠隔震支座，延長了結構的周期。從地震反應譜分析，延長了結構周期，反應譜值減小，起到隔震作用。

隔震支座和橋梁支座的雙線性滯回性能采用COMBIN40單元模擬，其單元形式見圖5。

圖5 COMBIN40單元示意

2.1.2 地震參數的輸入

根據《安評報告》，抗震設防標準取為兩級地震水準：50年超越概率10%的地震和50年超越概率2%的地震，作為結構抗震性能研究的設防水準。與這兩級設防地震相應的抗震性能目標為：在50年超越概率10%的地震作用下結構主體構件沒有損壞；在50年超越概率2%的地震作用下結構沒有發生嚴重破壞和倒塌。地震動參數見表1。