基于性能設計的剛構橋抗震性能分析

□龐 輝 馮光澤

一、引言

拱結構具有歷史悠久，造型優美細膩、抗壓能力強等特點，在橋梁、房屋建筑、隧道工程中得到了廣泛的應用。拱橋的承載、跨越能力超于梁式橋，廣泛應用在我國西南地區，同時在西南地區發生地震的可能性很小。因此，拱橋抗震的研究理念仍然停留在線彈性范圍內。1995年，在日本發生神戶地震后，學者們漸漸意識到了線彈性范圍內對結構的抗震研究已不能滿足抗震性能的要求了。因此學者們在震后災害以及研究延性設計方法上，對日本橋梁抗震規范進行了修改，提出了水準一(在多遇地震的情況下)及水準二(在罕遇地震的情況下)。

在動力性能分析中，最權威和最嚴格的分析方法是動力時程分析法，雖然它具有耗時性，效率低等特點，但是依然被廣大學者所青睞。

二、分析方法

結構地震反應分析方法主要分以下3 個階段:分別是早期簡化的靜力法;隨著科學的進步，發展了反應譜理論和Push-over 理論;最后采用動力時程分析法，而動力時程分析方法在抗震設計研究中得到了廣泛應用。

時程分析法是給出某一時刻的地震加速度時程，則可以得到在該時刻的結構反應，算法明確并且精準;時程分析法被引入到大跨度橋梁的分析當中，時程分析法廣泛應用在抗震性能的研究與設計中，其不但可以解決線性問題，還可以解決非線性問題。因此在復雜的大跨度橋梁計算地震反應中得到了研究者的青睞。

三、動力時程法的彈塑性研究

拱橋由鋼縱梁、橋墩及拱肋、橋面板組成。拱橋總長是173m，拱矢高是16．87m，拱長是114m，拱橋的矢跨比為1:6．76。其中橋面板是鋼筋混凝土結構，截面形式是矩形截面，它的寬度是8．2m，而其厚度為0．22m。鋼縱梁的截面形式是工字形梁。橋墩采取的是箱形截面。拱肋是由箱型截面、橫隔板、橫向支撐以及對角支撐組成。

圖1

(一)順橋方向的激勵。圖1 表明了在順橋方向的激勵下，跨中位置縱梁的水平位移及1/4 處縱梁的豎向位移。從圖中可以看出，在跨中位置的水平位移中，最大位移是0．1m，在1/4 跨處的豎向最大位移是0．4m，也就是說其余的無論是水平的還是豎向的位移在順橋的激勵下都非常小。圖4 表明在順橋方向的激勵下，橋墩和拱肋的軸力情況，對于橋墩處的彎曲軸力是12，990KN，而拱肋處的彎曲軸力是33，730KN。

圖2 軸力N/Ny

如圖2 橋墩和拱肋在順橋激勵下的軸力情況，當受到地震影響時，橋墩和拱肋所達到的軸力值分別為0．2Ny、0．3Ny。也就是說，在順橋方向的激勵下，軸力的影響不是很大。整橋在順橋激勵下，應變超過屈服應變的位置。由此可以得出結論，在順橋方向激勵下，地震對順橋方向的影響非常小。

圖3

(二)橫橋方向的激勵。圖3 顯示了在橫向激勵下，跨中位置的橫向位移以及豎向位移，從圖中可以看到，其中橫向位移最大值為0．5m，而豎向位移的最大值是0．15m，其余的位移都非常小。

圖4 軸力N/Ny

圖4 表示了橋墩和拱肋的軸力情況，橋墩在4s 時，接近達到Ny，而這種趨勢一直持續到9s，而在拱肋中，4s 到10s 期間其軸力的情況均接近0．8Ny。-2．51(拱肋)體現了在橫橋方向激勵下，整橋超過屈服應變的位置。很顯然在橫橋方向的激勵下，首先達到屈服的位置是拱腳附近處。

圖5 橋墩橋墩

如圖5 顯示了在橫橋激勵下，橋墩處的平均應變與屈服應變的比值情況和橫橋方向的應力應變情況。因此可以肯定，在橫橋方向的激勵下，地震對橫橋方向的影響非常大。

四、結語

以非線性時程分法的分析結果作為理論依據，分別對鋼拱橋的順橋、橫橋方向進行激勵，總結如下:通過動力時程分析可知，橫橋方向受到的地震影響大于順橋方向的影響。

［1］日本道橋示方書，1996

［2］日本道橋示方書，2002