連續梁拱橋抗震性能研究

向大峰

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

梁拱組合結構橋梁是一種兼具拱橋和梁橋特點的結構形式，作為大跨度橋梁在鐵路工程中被廣泛采用。幾次大地震造成橋梁工程的嚴重破壞，揭示了橋梁工程抗震研究的重要性。對于大跨度橋梁結構的地震響應以及減震措施，不少學者進行了大量研究。李忠獻[1]等用數值方法模擬了行波激勵下的地震反應；梁田[2]分析了梁拱組合協作體系在地震作用下各結構內力，戴公連[3]等分析了高階振型、幾何非線性、行波效應等因素對大跨度鐵路連續梁拱組合橋的地震響應；諸葛翰卿[4]等研究了橫橋向地震作用對鋼拱橋地震損傷發展的影響；蔣垠蘢[5]等研究了拱形連續梁橋抗震性能。

本文以(83.9+168+83.9)m連續梁-柔拱橋為例，分析了該梁拱結構橋梁的抗震性能。以及在常規體系罕遇地震延性不通過的情況下，采用雙曲面球型減隔震支座的減震效果。結果表明，雙曲面球型減隔震支座減震效果明顯。

1 工程概況

1.1 連續梁拱結構方案

本文以一座跨度為(85+168+85)m連續梁-柔性拱組合結構橋為例，總體布置圖如圖1所示。對圖1中的墩柱進行了編號，其中2#墩為固定墩。

圖1 大橋立面(單位：m)

主拱計算跨度L=168m，設計矢高f=33.6m，矢跨比f/L=1∶5；橋梁的中墩以及邊墩都是混凝土實體墩，中墩縱、橫向尺寸為14.6m×5.0m；邊墩縱、橫向尺寸為12m×3.8m。建立全橋模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.2 地震參數

橋址處場地地震動峰值加速度為0.22g，反應譜特征周期為0.60s。50年10 %(設計地震作用) 和50年2 %(罕遇地震作用)超越概率的加速度反應譜(阻尼比5 %)計算公式如式(1)。豎向地震作用均取相應水平地震動的0.65倍。

Sa(t)=Amaxβ(t)

(1)

式中：T為反應譜周期；Amax為峰值加速度；T0、Tg為反應譜拐點周期；Sa(T)為周期為T時的反應譜值；βm為相對反應譜最大值；k為衰減指數。各參數的取值見表1。在多遇地震作用下，需考慮結構重要性系數1.5。

表1 反應譜參數取值(5%阻尼比)

根據橋址處地震震級和場地特性，對設計地震和罕遇地震分別人工合成地震動加速度時程。典型加速度時程如圖3所示。

(a)設計地震時程波

(b)罕遇地震時程波圖3 水平向加速度時程曲線

2 常規體系抗震分析

對常規體系建立的線性動力模型，根據多遇地震、設計地震及罕遇地震作用的場地加速度反應譜，對結構進行反應譜分析，取前500階振型，按CQC方法進行組合，橋墩在“縱橋向+豎向”及“橫橋向+豎向”作用下反應譜法分析結果見表2～表4。

表2 多遇地震作用下橋墩墩底截面彎矩 kN·m

表3 設計地震作用下橋墩墩底截面彎矩 kN·m

在多遇地震作用下，橋墩墩底截面彎矩均小于橋墩的等效屈服彎矩，橋墩未屈服；設計地震縱向地震力作用下，橋墩墩底截面彎矩大于等效屈服彎矩，橫向地震力作用下，1#墩和4#墩的墩底彎矩已非常接近橋墩的等效屈服彎矩；罕遇地震作用下，橋墩墩底截面彎矩大于等效屈服彎矩，橋墩進入塑性，需要對橋墩進行延性抗震計算。

表4 罕遇地震作用下橋墩墩底截面彎矩 kN·m

3 罕遇地震作用下延性抗震驗算

本文采用彈塑性集中塑性鉸梁單元來模擬固定墩縱向非線性性能，僅在縱橋向設置塑性鉸，計算塑性鉸的等效屈服彎矩以及等效屈服曲率。該模型固定墩墩底設置了縱向塑性鉸并對對固定墩單元剛度折減，其余單元模擬方式與常規模型相同。橋墩鋼筋混凝土構件截面的配筋率按0.5 %及0.75 %，根據《鐵路工程抗震設計規范》第7.3.3節規定進行延性抗震驗算。罕遇地震作用下塑性鉸的等效屈服彎矩均為539 800kN·m，等效屈服曲率均為0.483×10-3(1/m)。墩頂位移分別為0.335m及0.303m。位移延性比均為5.8>4.8，因此延性設計均不滿足要求。

4 減震體系抗震分析

由于常規體系在設計和罕遇地震作用下固定支座要承受很大的水平地震力(遠遠超過常規支座的水平承載能力)，不滿足延性設計要求，使用雙曲面球型減隔震支座對橋梁結構進行減震，并對其減震效果進行分析。

4.1 減震措施

減震體系是在所有墩柱上設置雙曲面球型減隔震支座，縱橫橋向均考慮雙曲面球型減隔震支座的減震效果。支座結構上包括滑動凹球面的上支座板、雙凸球面的中支座板及轉動凹球面的下支座板；針對減震體系，建立橋梁的非線性動力模型。主梁、拱肋、橋墩和吊桿等模擬方法均與線性模型相同，僅邊界連接條件的模擬方式有所差異。多遇地震下剪力銷未剪斷，對罕遇地震下結構的地震響應進行非線性時程分析。

4.2 罕遇地震作用下抗震驗算

減震體系在罕遇地震作用下橋墩墩底彎矩及驗算結果見表5。

表5 罕遇地震作用下橋墩墩底抗震驗算結果 kN·m

由表4、表5結果對比可知，使用雙曲面球型減隔震支座可以有效減小罕遇地震作用下墩底彎矩值，且均小于等效屈服彎矩，雙曲面球型減隔震支座可以有效起到減隔震作用。

5 結論

根據連續梁拱資料，建立了(85+168+85)m的大跨度連續梁橋的空間彈性動力計算模型，采用反應譜和非線性時程方法進行地震反應分析，研究了結構在多遇地震、設計地震及罕遇地震作用下的地震反應。對橋墩進行了驗算，得出如下結論：

(1)多遇地震作用下，連續梁拱墩底彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態，滿足預期性能目標要求。

(2)設計地震作用下，墩底彎矩接近或者大于初始屈服彎矩，橋墩即將或者已經進入塑性工作狀態，罕遇地震作用下，墩底彎矩大于等效屈服彎矩，橋墩進入塑性工作狀態，需要對橋墩進行延性抗震計算。

(3)罕遇地震作用下，雙曲面球型減隔震支座可以有效減小各橋墩縱、橫向墩底彎矩值，發揮明顯的減隔震作用。