非對稱大跨徑剛構橋抗震設計與分析

羅 霞

(廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司 廣州 510507)

預應力混凝土連續剛構橋除具有保持連續梁橋行車平順、減少跨中正彎矩等優點外，還因其具有不需進行體系轉換，便于懸臂施工，跨越能力更大，以及主墩不需設置支座等優勢，在實際工程中被廣泛應用。

連續剛構將上部結構與薄壁橋墩固結在一起，提高了結構的整體性能，有利于結構抗震，但也因此拒絕了各種減、隔震技術的使用[1]。因此，大跨度連續剛構橋的抗震設計需要選擇較好的結構體系，通過延性構件的塑性變形來緩沖地震作用。另一方面，塑性鉸的出現使橋梁結構的自振周期延長，地震反應減小。

地震荷載是一種隨機的動力荷載，目前確定性分析方法應用較為廣泛，主要可以分為以下3類：①靜力法；②動態時程分析法；③反應譜分析法。大跨度連續剛構橋的地震反應較為復雜，其高階振型的影響較為明顯，樁-土-結構的相互作用比較復雜，其抗震設計相對較為困難。地震反應分析應采用反應譜法和時程分析法相互校核。采用反應譜法進行分析時，應充分考慮高階振型的影響。當用時程法計算時，可以輸入3條時程波，取3組計算結果的最大值，或是輸入7條時程波，取7組計算結果的平均值[2]。

本文結合某一非對稱連續剛構橋的抗震設計，闡述連續剛構橋型的抗震設計思路。

1 工程概述

某連續剛構橋跨徑布置為60 m+95 m+150 m+90 m，其橋型布置見圖1。箱梁頂寬21.5 m、底寬14 m，采用單箱雙室截面，主墩采用雙薄壁實心墩，寬14 m、厚2.0 m。輔助墩采用板式實心墩，寬14 m、厚2.0 m。過渡墩采用雙柱板式空心墩，厚2.0 m。根據文獻[3]，本橋址的地震動峰值加速度為0.1g，反應譜特征周期為0.35 s。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

本橋采用50年10%(簡稱E1)和50年2.5%(簡稱E2)2種超越概率地震動進行抗震設防。要求橋墩、基礎等結構重要受力構件在E1作用下基本不發生損傷，結構保持在彈性范圍工作；在E2作用下雖然局部可發生可修復的損傷，但要求地震發生后，不需要修復仍可維持車輛的通行。

2 動力計算

2.1 模型建立

采用有限元分析軟件midas Civil 2015建立空間有限元模型，見圖2。

圖2 有限元模型

主橋的非線性動力模型主要考慮了球形鋼支座的滑動摩擦效應。球型支座的摩擦效應可近似采用理想彈塑性連接進行模擬，其典型恢復力滯回模型見圖3。樁基采用《公路橋梁地基與基礎設計規范》中的土彈簧方法模擬樁-土相互作用。

圖3 球型鋼支座簡化滯回模型

根據JTG/T B02-01-2008 《公路橋梁抗震細則》 的規定和本橋特點，采用時程分析法和反應譜法進行對比校核。3條隨機相位的水平向地震動加速度時程是通過人造地震動的合成技術擬合場地設計地震動加速度反應譜及強度包絡函數合成的，計算結果取3組計算結果的最大值。

2.2 結構動力響應

結構的動力特性與其自身質量、剛度和邊界條件等相關，是結構的固有特性。

表1 結構的動力特性

表1列出了前10階的頻率和振型特征。通過對橋梁自振頻率和振型的分析可知，全橋的前幾階振型以縱彎和橫彎為主。本橋主墩墩高在25 m以內，橋墩相對較剛性，第2階模態為主橋整體縱彎，振型參與質量達到40%，周期為1.47 s。第6階模態為主梁橫彎，振型參與質量達到52%，周期為0.87 s。

由振型特征可看出，本橋的非對稱性較為顯著，小樁號側過渡墩振型較早出現。說明過渡墩剛度較弱，主墩縱向剛度比橫向剛度較弱，在進行抗震設計時需重點考慮主墩的縱橋向抗彎設計和過渡墩抗彎設計。對結構地震響應貢獻較大的前10階模態的周期均大于0.6 s，相比較實際橋位處的0.35 s 的場地特征周期已經高出不少，在一般地震作用下發生共振的可能性比較小，該設計方案整體上具有良好的抗震性能。

由于篇幅有限，僅列舉E2地震下的時程分析法的計算結果，見表2。各截面采用ucfyber計算彎矩-曲率曲線，主墩的模型及彎矩-曲率曲線見圖4，圖5。

表2 墩柱關鍵截面E2地震內力

注：三角形表示彎矩-曲率曲線的完全方向

圖5 主墩縱橋向彎矩-曲率曲線

E2地震作用下，主墩、過渡墩及輔助墩均處于彈性狀態，截面彎矩均小于等效屈服彎矩；E1地震作用下，各截面均未進入首次屈服狀態。因本橋地震烈度不算高，墩高較矮，靜力作用下裂縫寬度控制設計，地震作用不起控制作用。

3 影響因素對比分析

3.1 樁-土-結構相互作用

對比樁-土作用對結構的影響，建立2個模型，模型I假設地基剛性，墩底進行固結處理。模型II利用“m”法計算水平抗力系數，考慮樁在土中的空間分布和群樁效應。根據計算得到的土彈簧剛度，將各單個樁基按同樣的方式集中為若干個質點，利用midas 中節點彈性支承施加于質點上以模擬樁-土相互作用[4-5]。模型I與模型II的前10階振型沒有太大變化，僅周期有所變化，圖6為前10階模態的周期對比表。

圖6 模態對比表

由圖6可得以下結論：考慮樁-土相互作用后，模型II主要振型的自振周期略長，這是由于樁-土相互作用使結構整體剛度變小。自振周期增大對于大跨連續剛構橋有一定影響。本橋模型II主墩縱橋向彎矩比模型I小17%，橫橋向影響較小，約2%。

3.2 沖刷深度影響

在計算土彈簧剛度時，考慮河床的一般沖刷為2.4 m，考慮河床沖刷后結構周期略有增大，主梁一階縱飄周期從1.46 s變為1.52 s，縱向地震作用下橋墩彎矩減少8%，樁基彎矩減少32%，橫橋地震作用下主墩彎矩減小6%，樁基彎矩減少25%。通過計算得到結論：考慮河床一般沖刷后，主墩及樁基內力均減小。但對于靜力而言，考慮沖刷后計算長度增加，結構裂縫計算需求將增大。

3.3 支座橫向約束影響

根據結構計算理論，在地震作用下，當過渡墩和輔助墩的鋼球支橫橋向發生剪斷破壞時，橫向荷載將全部由主墩承擔。建立2個模型，假設地震響應下，模型A支座橫向未被剪斷，模型B支座橫向被剪斷。模型B的前10階模態見表3。對比表1和表3可知，橫向約束剪斷后，結構周期增長，橫向剛度減弱，主梁一階縱飄的周期變化很小，主梁整體側彎的周期由0.805 s 增大至1.014 s。對比2組模型的橋墩內力可得，支座橫向剪斷后，主墩橫向彎矩增加了7%。本橋為雙肢薄壁墩，主墩橫橋向剛度大，橋墩橫橋向富余度高，橋墩仍處于彈性狀態。但對于橫向剛度小的雙柱式主墩或寬度較窄的薄壁墩來說，橫向支座剪斷導致主墩橫向內力的增加不容忽視，設計時應予以重視。

表3 模型B動力特性

4 結論

1) 常用的抗震設計方法主要有延性設計和減隔震設計，對于剛構橋梁，延性設計是較常用的設計方法。當地震烈度不太高，墩高較矮時，靜力裂縫計算可能起到控制作用，可采用彈性設計。當地震烈度較高，墩高較高時，建議通過延性構件的塑性變形來提高結構的抗震性能。

2) 考慮結構樁-土相互作用使結構整體剛度變小，自振周期增大，對于大跨連續剛構橋有較大影響。

3) 考慮河床沖刷后，動力作用下主墩及樁基內力降低。但對于靜力作用而言，考慮沖刷后計算長度增加，結構裂縫計算需求將增大。

4) 對于雙肢薄壁墩，主墩橫橋向剛度較大，邊墩橫向約束剪斷對主墩影響較小，內力增加約7%左右，橋墩仍處于彈性狀態。但在橫向剛度較小的橋墩設計時仍應予以重視。