不同地震動情況下的大跨度連續剛構橋梁響應分析

黃 輝

(西南交通大學土木工程學院, 四川成都610031)

我國處于地震頻發地區，地震發生頻率高，地震震級大，對于橋梁結構產生的破壞是巨大的。對于處于交通咽喉位置的橋梁結構，如果設計未能充分考慮地震作用帶來的危害，可能發生地震作用下橋梁垮塌等事故，從而破壞交通線路影響抗震救災工作[1-2]。因此，對于橋梁結構進行抗震分析計算具有重要的意義。本文以一座大跨度連續剛構橋為研究對象，采用有限元方法，建立用于動力分析的桿系模型，對結構的地震響應進行詳細的計算和分析，為類似橋型的抗震設計提供參考。

1 工程概況

犍為岷江二橋是一座特大型橋梁，橋梁全長2 029m。主橋為預應力混凝土連續剛構橋，橋跨布置為118m+ 215m+ 118m，主梁采用單箱單室截面，全寬13m，箱梁高度由橋墩處13.75m按照1.6次曲線變化至跨中處及端部4.6m。同時，箱梁頂底板及腹板厚度均由支座處向跨中處遞減，頂板厚度在0.3～0.5m變化，底板厚度在0.32～1.46m變化，腹板厚度在0.5～0.7m變化。主墩墩身高度約30.0m，采用鋼筋混凝土雙肢薄壁墩身，承臺接鉆孔灌注樁基礎；每個墩身雙肢間凈距6.0m，每肢縱向厚度2.0m，橫向寬度8.5m，兩側為圓端型；承臺采用整體式，順橋向長16.0m，橫橋向寬30.0m，厚5.5m；基礎按嵌巖樁設計，一個承臺采用18根直徑2.5m鉆孔灌注樁。主橋總體布置如圖1所示。

圖1 主橋總體布置(單位:m)

2 計算模型

采用大型有限元軟件MidasCivil建立岷江二橋的動力計算模型。計算模型中主梁、薄壁墩采用梁單元模擬，主梁線形根據每個截面的形心軸確定，全橋共劃分單元196個。模型邊界條件為: 主墩底完全固結，邊跨端部采用彈性連接剛接，約束豎向、橫向和繞橋縱軸向的位移，主墩和主梁連接部位采用剛性連接。模型參數取值為：主梁混凝土強度等級C60，彈性模量3.6×104MPa，泊松比0.2，容重25kN/m3；主墩混凝土強度等級C50，彈性模量3.45×104MPa，泊松比0.2，容重25kN/m3，重力加速度g=9.81m/s2.主橋動力計算模型如圖2所示。

圖2 主橋有限元模型

3 結果分析

根據動力計算模型，采用多重Ritz向量法計算得到大跨度連續剛構橋的動力特性，共計算了主橋前50階振型，前10階振型的周期、頻率和振型特征如表1所示，圖3給出了前10階的振型圖。從表1和圖3可以看出：岷江二橋的結構基頻為0.729 0Hz，小于一般連續剛構體系的基頻，這表明雙肢薄壁墩能夠在一定程度上使得橋梁整體結構具有柔性特征；前10階振型中有5階為縱向偏移，其中第2階縱橋向質量參與系數為21.16 %，由于橋墩高度較大，有可能在順橋向產生較大塑形轉角，應加強塑性鉸區域的設計和處理。

表1 模型前10階振型動力特性及振型特點

第1階振型

第2階振型

第3階振型

第4階振型

第5階振型

第6階振型

第7階振型

第8階振型

第9階振型

第10階振型圖3 模型前10階振型示意

本文采用時程法(線性)分析連續剛構橋的地震響應。岷江二橋橋址處地震基本烈度7級，50年超越概率10 %地震動加速度為0.095g，場地類別為II類中軟場地類型，因此須按8度設防，采用EI-Centro波作為地震動輸入。同時，對EI-Centro波進行修正，使得水平方向的地震波加速度峰值為0.3g，對于其周期則不予修正。輸入的EI-Centro地震波加速度時程曲線如圖4所示。

圖4 地震波加速度時程曲線

在一致激勵情況下，考慮地震運動方向的多維特性，輸入的地震波激勵為：縱橋向+豎向，縱橋向為水平地震波，豎向為豎向地震波，豎向波峰值為水平波的2/3。圖5給出了時程法求解的控制截面響應——24#主墩左肢和25#主墩右肢底部順橋向彎矩響應。

(a)X方向地震動24#主墩左肢響應

(b)X方向地震動25#主墩左肢響應

(c)Z方向地震動24#主墩左肢響應

(d)Z方向地震動25#主墩左肢響應

(e)X-Z方向地震動24#主墩左肢響應

(f)X-Z方向地震動25#主墩左肢響應圖5 地震波加速度時程曲線

從圖5中可以看出，在X方向地震動單獨作用時，24#主墩左肢的最大彎矩響應峰值為1.080×104kN·m，發生在3.230s；25#主墩右肢的最大彎矩響應峰值為1.080×104kN·m，發生在3.230s。在Z方向地震動單獨作用時，24#主墩左肢的最大彎矩響應峰值為8.086×103kN·m，發生在5.480s；25#主墩右肢的最大彎矩響應峰值為8.067×103kN·m，發生在5.480s。而當考慮多維地震動時，24#主墩左肢的最大彎矩響應峰值為1.108×104kN·m，發生在2.490s；25#主墩右肢的最大彎矩響應峰值為1.740×104kN·m，發生在2.240s。可以看出，多維地震動情況下，橋梁結構的各階振型被直接或間接的激發，表現出空間耦合特征。對于不同的地震動情況，橋梁關鍵截面響應峰值和對應時間均不同。因此，在多維地震激勵時，應考慮到與一維地震激勵情況下結構內力和位移的不同，合理設計結構。

4 結論

本文以一座連續剛構橋為工程背景，通過建立其有限元模型，對岷江二橋的動力特性進行了計算，并采用時程法(線性)對其地震響應進行了分析，得出如下結論。

(1)岷江二橋的結構基頻為0.729 0Hz，小于一般連續剛構體系的基頻，這表明雙肢薄壁墩能夠在一定程度上使得橋梁整體結構具有柔性特征；前10階振型中有5階為縱向偏移，由于橋墩高度較大，有可能在順橋向產生較大塑形轉角，應加強塑性鉸區域的設計和處理。

(2)在多維地震動作用下，橋梁結構內力響應具有一定的空間耦合性。因此，在抗震分析和設計時，只采用一維地震激勵輸出得到的結果偏于不安全，應當采用與實際相近的多維地震激勵。