近場地震動作用下勁性骨架混凝土拱橋地震響應分析

曾憲帥

（核工業西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610000）

勁性骨架混凝土拱橋是以鋼管混凝土為勁性骨架，外掛模板分段分環澆筑外包混凝土形成主拱結構的大跨度鋼筋混凝土拱橋，具有跨越能力大、變形小特點與優越的結構動力性能[1]。

方春平等[2]通過計算分析勁性骨架拱橋得到了起控制作用的地震輸入方式以及拱圈內力的變化規律。謝松茂[3]研究了大跨度勁性骨架拱橋在地震作用下的傳力機理、內力分布及變形狀態。Zhao 等[4]研究了非平截面應力對勁性骨架拱橋抗震性能的影響。綜合研究現狀發現，目前對勁性骨架拱橋在近場地震作用下響應的探究較少。由于近場地震動具有自身特殊的方向性效應、滑沖效應以及上盤效應等性質，對橋梁結構造成了巨大的威脅[5]。因此，有必要對近場地震動作用下勁性骨架拱橋的地震響應進行分析。

該文以1 座高速鐵路上承式勁性骨架混凝土拱橋為工程實例，基于OpenSEES 建立橋梁非線性數值模型，通過非線性動力時程分析方法分析了近、遠場地震動作用下勁性骨架拱橋的地震響應。研究結果對近斷層區域內同種鐵路橋型的抗震減震研究具有一定的指導意義。

1 工程概況

該文以1 座跨度為340 m 的上承式鋼管混凝土勁性骨架拱橋為研究對象，其總體布置如圖1 所示。拱橋豎直平面內矢高74 m，矢跨比為1/4.595，拱軸線采用拱軸系數m=3.2 的懸鏈線。主拱圈平面為提籃形，采用箱型肋拱截面，分叉段拱肋截面為單箱單室截面，拱圈合并段為單箱三室截面。拱箱高度按照1.5 次拋物線由拱腳處11 m 變至拱頂處6 m。拱肋勁性骨架上下弦桿采用鋼管混凝土構件，上下弦主鋼管共計8 肢，管內灌注自密實無收縮C60 混凝土，主鋼管與橫聯鋼管材質采用Q390D 鋼材。主鋼管間橫向、豎向通過腹桿、平聯桿等聯結系形成整體空間桁架結構，材質采用Q345D 鋼材。主鋼管與拱肋分叉段橫聯鋼管為?750×24 mm，拱頂合并段橫聯鋼管為?560×16 mm，其他聯結桿件為四肢組合角鋼結構。主拱圈采用勁性骨架法外包C55 補償收縮混凝土施工。交界墩和拱上立柱均為雙柱內傾式橋墩，拱上結構為3聯4 孔的預應力混凝土連續梁。

圖1 勁性骨架混凝土拱橋總體布置（單位：m）

2 計算模型

2.1 計算參數與模型

該文通過OpenSEES 平臺建立拱橋的非線性數值模型。采用彈性梁柱單元模擬拱上主梁、拱腳基礎；采用基于柔度的非線性纖維梁柱單元模擬交界墩、拱上立柱和拱圈勁性骨架；基于共節點單元法模擬鋼管與內填混凝土的共同作用；拱肋外包混凝土采用考慮剪切的彈性殼單元模擬。二期恒載共計147.25 kN/m，作為質量施加在主梁節點上。分別采用Concrete01 和Steel02 本構模型模擬混凝土與鋼材以考慮材料非線性。考慮鋼管的約束作用，鋼管內填混凝土采用Saenz 本構模型[6]。樁-土相互作用與支座采用zeroLength 單元模擬，本構關系采用相應的理想彈塑性模型。采用剛臂連接模擬拱肋與拱上立柱、拱上立柱與主梁之間的剛性連接，樁基礎底部均為全固結。全橋施加5%的瑞利阻尼。基于OpenSEES 建立的勁性骨架拱橋數值模型如圖2 所示。

圖2 基于OpenSEES 的勁性骨架拱橋數值模型

2.2 近遠場地震動及其反應譜特性分析

本橋橋址區場地類別屬II 類，設計地震分組為1 組，抗震設防烈度為Ⅷ度，地震動反應譜特征周期0.45 s，罕遇地震作用下水平地震基本地震動峰值加速度為0.30 g。根據橋址場地類別和特征周期，從PEER 強震數據庫中分別選擇7 條近、遠場地震波進行結構時程分析，結果響應取平均值。根據已有研究[7]，斷層距Rrup和PGV/PGA是識別近場效應的重要特征。該文選取具有明顯脈沖效應的近場地震波（Rrup<15km 且PGV/PGA>0.1）進行近場地震動作用下拱橋地震響應分析。地震動沿順橋向和豎向同時輸入。近、遠場地震動特性參數見表1。同時，為滿足橋址地震動參數的要求，需要將時程波進行調幅處理。將所有地震動峰值調幅至0.30g 后輸入模型，調幅后的加速度如公式（1）所示。

表1 近、遠場地震動基本特性參數

式中：ag（t）為調幅后的加速度；ag（t）為調幅前的加速度；Ag為調幅前地震波加速度峰值。

3 橋梁結構自振特性分析

準確地掌握橋梁結構的自振特性是進行抗震性能分析的必要環節，提取拱橋前八階振型的自振周期與振型特征，見表2。

表2 勁性骨架拱橋前八階自振特性

根據表2 可以發現，大跨度勁性骨架拱橋的前八階振型以主拱及主梁的橫向彎曲和豎向彎曲為主。由于拱橋的跨度較大，主梁較為柔弱，隨著主拱的橫向彎曲與拱上立柱的縱向飄移，主梁的橫、縱向變形會進一步加大。因此，在同類型鐵路橋梁的減震設計中，應注意控制主梁和拱上立柱的位移。

4 脈沖型地震動作用下地震響應分析

通過動力時程分析分別計算并提取主拱圈、交界墩及拱上立柱的地震響應，以探明近、遠場地震動作用下勁性骨架拱橋的響應規律。

4.1 主拱圈響應

根據文獻[3]，選取拱腳、L/4 拱肋、L/2 拱肋（拱頂）3個主拱圈截面作為控制截面，分別以3 個截面位置處鋼管應變、鋼管內填混凝土應變及主拱肋位移為指標，研究近、遠場地震動的響應差異。

主拱肋鋼管及內填混凝土的應變響應如圖3 所示。由圖可知，近場地震動作用下主拱肋的鋼管及內填混凝土應變響應均明顯大于遠場地震動。對鋼管來說，3 個控制截面的應變分別增加了56.1%、17.3%和81.5%；對內填混凝土來說，3 個控制截面的應變分別增加了81.3%、39.7%和110.2%。顯然，近場地震動對主拱肋跨中截面應變的影響更顯著，其次為拱腳截面，這對跨中及拱腳截面的抗震設計提出了更高的要求。值得注意的是，與內填混凝土相比，鋼管在近場地震動作用下承擔了更多內力，應變變化率較大。主弦鋼管的受力狀況值得關注，需要采取一定的控制措施以防止鋼管應力過大而進入屈服狀態。

主拱肋的位移響應如圖4 所示。由圖可知，近場地震動作用下主拱肋的位移響應大于遠場地震動。3 個控制截面的順橋向位移分別增加了125.0%、58.0%和204.1%；豎向位移分別增加了27.5%、17.2%和9.9%。分析3 個主拱截面的位移可以發現，跨中截面的順橋向位移增量最大，其次為拱腳截面；而拱腳截面的橫橋向位移增量最大，其次為L/4 截面。總體來看，與于遠場地震動相比，近場地震動作用下順橋向位移的增量最明顯。究其原因，近場地震動的PGV 明顯高于遠場地震動，見表2。

圖4 主拱肋位移響應

4.2 交界墩及拱上立柱

地震動作用下，交界墩和拱上立柱為易損結構。參考有關學者研究結果[8]，選取交界墩J1、L/12 跨拱上立柱Z1、L/4 跨拱上立柱Z3 為研究對象，分析其與主拱固結位置截面的保護層混凝土、縱向鋼筋、核心混凝土的應變響應，結果如圖5 所示。

圖5 交界墩及拱上立柱應變響應

由圖5 可知，近場地震動作用下拱上墩柱的應變響應大于遠場地震動。縱向受力鋼筋對近場效應的敏感度遠大于保護層混凝土和核心混凝土，因此近場效應顯著增加了鋼筋的應變。Z3、Z1、J1 三個拱上墩柱的混凝土應變受近場效應的影響逐漸減少，與遠場地震相比分別增加了92.7%~112.9%、98.7%~232.9%和111.4%~141.1%；對縱向鋼筋，J1、Z1、Z3 的鋼筋應變與遠場地震相比分別增加1155.3%、908.7%、472.6%。綜上所述，應特別注意近場地震作用下交界墩J1的鋼筋損傷和L/4主跨位置處立柱Z3的核心混凝土損傷。

5 結論

該文通過OpenSEES 有限元軟件對某鋼管混凝土勁性骨架拱橋進行非線性時程分析，對比了近、遠場地震動作用下勁性骨架拱橋主要結構的地震響應，得到的主要結論如下：1）大跨度勁性骨架拱橋的前八階振型以主拱及主梁的橫向彎曲和豎向彎曲為主。隨著主拱的橫向彎曲與拱上立柱的縱向飄移，主梁的橫、縱向變形會進一步加大，應注意控制主梁和拱上立柱的位移。2）近場地震動作用下主拱肋鋼管及內填混凝土的應變響應、主拱肋的位移響應明顯大于遠場地震動。近場地震動效應對拱肋跨中截面應變的影響更顯著，其次為拱腳截面；由于近場地震動的PGV 量值更高，因此順橋向位移的增量最明顯。3）近場地震動作用下拱上墩柱的應變響應大于遠場地震動。近場效應顯著增加了縱向鋼筋的應變；L/4 主跨位置處立柱Z3的混凝土應變受近場效應的影響最大，應注意近場地震作用下交界墩J1 的鋼筋損傷和立柱Z3 的核心混凝土損傷。