拱形連續梁橋抗震性能分析

蔣垠蘢

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

0 引言

隨著經濟的發展和人民審美水平的提高，人們不但關注橋梁建筑質量問題，并日益關注橋梁景觀的景觀設計，尤其是城市橋梁，其景觀設計對城市的發展和文化傳遞有著重要的意義。該項目地處古代風景名勝景區周邊，為了與周遭景觀協調一致，體現古樸典雅的氣質，擬采用拱形結構橋梁，然而由于橋址地質條件較差，拱橋推力無法平衡，最終選用了拱形連續梁橋的設計方案。拱形連續梁橋上部結構質量較常規結構大，且部分橋墩較高，質量分布具有“頭重腳輕”的現象，不利于抗震設防，在地震下具有較大的破壞風險。因此需對其進行抗震計算分析。

本文以一座拱形連續梁橋為例，對其結構動力特性進行了分析，采用反應譜法計算其地震響應，并進行了抗震性能驗算。本文的計算思路、方法可為類似橋梁的抗震設計計算提供參考和借鑒。

1 橋梁概況

該項目為預應力混凝土拱形箱梁，采用單箱四室直腹板截面形式，梁高1.6～6.0 m，箱梁高度由跨中向兩側按二次拋物線變化。橋墩為實體式橋墩、鋼筋混凝土結構，橋墩橫橋向尺寸為19 m，縱橋向尺寸為3 m，橋墩內部鏤空，在對應支座位置處設置隔墻。樁基采用直徑1.2 m或1.5 m的鉆孔灌注樁。具體布置如圖1所示。

2 有限元模型的建立及動力特性分析

2.1 有限元模型的建立

根據設計方案，采用MIDAS/Civil有限元程序建立三維有限元動力計算模型進行抗震性能分析。計算模型以縱橋向為X軸、橫橋向為Y軸、豎橋向為Z軸。采用多振型反應譜法分析時，主梁、橋墩均采用空間梁單元模擬。計算時考慮樁土的共同作用，樁土的共同作用可用等代土彈簧模擬，等代土彈簧的剛度可采用表征土介質彈性值的m參數來計算。動力計算有限元模型如圖2所示。

2.2 動力特性分析

振型分析采用子空間迭代法，該橋的前五階頻率、周期及振型列于表1。

該橋的前五階振型主要以全橋橫向振動為主，表明該橋橫橋向剛度較縱橋向弱。結構縱向振動出現較晚。處于地震動反應譜的中短周期，地震時結構縱向需承擔較大的地震力。

3 地震動輸入及地震響應分析

3.1 地震動反應譜

根據《中國地震烈度區劃圖》，該項目抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度峰值為0.10g，設計地震分組為第二組。建筑場地類別為Ⅱ類，特征周期為0.40 s，建筑抗震地段為一般地段；場地不存在飽和砂土和飽和粉土，不考慮液化影響。根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166—2011）規定，該項目抗震設防分類為丁類，抗震設計方法為B類。場地土類型為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類。

圖1 橋梁立面圖（單位：mm）

圖2 MIDAS抗震計算模型

表1 橋梁振型振動特性

E1地震作用反應譜曲線如圖3所示。反應譜函數參數取值見表2。

圖3 E1地震作用對應的水平向加速度反應譜

3.2 地震響應分析

E1地震作用下的結構地震響應分析采用反應譜法。計算分析橋梁為三跨35 m拱形連續梁橋，經地震響應分析可知，橋墩墩底截面彎矩較大，故后續分析中將其墩底截面作為分析關鍵截面。

E1縱向地震作用和E1橫向地震作用下的結構地震彎矩響應分布如圖4、圖5所示。鑒于篇幅，軸力及剪力內力響應圖未列出。

圖4 E1縱向地震作用下立柱內力圖

圖5 E1橫向地震作用下立柱內力圖

E1地震作用下，橋墩關鍵截面內力值分別見表3和表4。需要說明的是，列表中軸力壓為正、拉為負。

表3 E1縱向地震作用下立柱底端截面內力

表4 E1橫向地震作用下立柱底端截面內力

4 抗震性能分析

4.1 橋墩抗彎能力計算

橋墩截面為矩形鏤空截面，截面外輪廓尺寸為19 m×3 m，依據靜力計算及最小配筋率要求，其配筋情況為：主筋為兩層直徑25 mm鋼筋，間距為15 cm；凈保護層厚度為4 cm；箍筋直徑為16 mm，間距為15 cm。橋墩立柱底截面配筋如圖6所示。

圖6 橋墩立柱底截面配筋圖（單位：mm）

采用MIDAS/Civil有限元程序計算橋墩立柱底截面屈服彎矩，橋墩立柱底截面縱橋向M-φ曲線數值分析結果如圖7所示。

圖7 縱橋向M-φ曲線數值分析結果

4.2 橋墩抗震分析結果

表5列出了恒載+E1地震作用下的橋墩關鍵截面抗震性能驗算結果。驗算結果表明，橋墩截面仍保持為彈性，且具有較大冗余度。

表5 立柱底截面驗算結果

5 結 語

建立了空間動力計算有限元模型，并進行了結構動力特性分析，然后采用反應譜分析法對E1地震作用下的結構地震響應進行了分析，并對其抗震性能進行了驗算，得到以下結論：

（1）在E1地震作用下，橋墩關鍵截面仍處于彈性狀態。結構抗震性能總體遠高于丁類橋梁“立即使用”的震后使用要求和“結構總體反應在彈性范圍，基本無損傷”的震后損傷狀態要求。

（2）拱形連續梁橋截面尺寸擬定合理，抗震設防措施得當，也具有較強的抗震能力。