城市大跨連續剛構橋抗震性能分析

【摘" " 要】：為了實現對城市大跨連續剛構橋抗震性能的有效評估，以山西省陽泉市一座跨徑組合為（63+115+63）m的連續剛構橋為工程背景，采用空間非線性動力時程分析方法，得出結構的彎矩和位移響應，并對該剛構橋橋墩進行抗震性能驗算。結果表明，該剛構橋橋墩在E2地震作用下，其墩頂位移和塑性鉸抗剪均滿足抗震規范要求，震后經搶修可恢復使用。

【關鍵詞】：連續剛構橋；時程分析；抗震性能；塑性鉸

【中圖分類號】：U448.23 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2024）06-41-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2024.06.011

Seismic Performance Analysis of A Long-Span Continuous Rigid-Framed Bridge

【Abstract】： In order to effectively assess the seismic performance of urban long-span continuous rigid frame bridges， a continuous rigid-framed bridge with a span combination of （63+115+63） m in Yangquan City， Shanxi Province， was selected for the study. Using the spatial nonlinear dynamic time-history analysis method， the bending moment and displacement response of the structure were obtained， and the seismic performance of the rigid frame bridge pier was checked. The results show that under the E2 earthquake， both the displacement of the pier top and the shear resistance of the plastic hinge meet the seismic code requirements， and the bridge can be restored for use after emergency repair. The conclusions drawn from this study can serve as a reference for the seismic design of similar continuous rigid frame bridges.

【Key words】： continuous rigid-framed bridge; time-history analysis; seismic performance; plastic hinge

大跨連續剛構橋主要修建于我國山區，相關抗震研究論文較多，而對于城市大跨連續剛構橋相關抗震性能研究則較少。本文基于ARMA模型的自編程序生成7條加速度時程曲線，采用空間有限元軟件Midas/Civil2022，對一座城市大跨連續剛構橋進行動力特性、非線性動力時程和抗震性能分析。

1 工程概況

獅腦山跨線橋位于山西省陽泉市，上跨陽泉中環快速路，變截面預應力混凝土連續剛構體系，跨徑為（63+115+63）m。橋梁全寬12 m，斷面布置為2 m人行道（含欄桿）+8 m車行道+2 m人行道（含欄桿）。箱梁斷面采用直腹板單箱雙室截面，主跨支點處梁高7 m（與跨徑的比值為1/16.43），跨中梁高2.8 m（與跨徑的比值為1/41.1），梁高按2次拋物線變化。箱梁懸臂長3.0 m，端部高0.2 m，根部高0.7 m；箱梁頂板厚0.3～0.8 m，底板厚度由跨中0.25 m漸變至支點0.8 m；跨中腹板厚0.55 m，支點加厚至0.7 m，腹板漸變段長7 m。箱梁采用三向預應力混凝土結構，頂板、腹板、底板及合龍束等縱向預應力采用?s15.2 mm高強度低松弛預應力鋼絞線，標準強度fpk=1 860 MPa，鋼束控制張拉應力σcon取0.73fpk，預應力管道采用塑料波紋管，真空壓漿工藝。箱梁共分為13段懸澆節間，節間數量從支點至跨中分別為6、4、3，節間長度從支點至跨中分別為3、3.5、4 m。下部結構采用雙矩形混凝土薄壁墩，薄壁墩平面尺寸為6 m×1.2 m，兩片薄壁墩凈距5 m，1#墩高36 m，2#墩高33 m。主墩承臺為矩形承臺，高4 m。主墩基礎為直徑1.8 m的鉆孔灌注樁群樁基礎，橋臺采用柱式橋臺，樁基為直徑1.2 m鉆孔灌注樁基礎。見圖1。

本橋為市政橋梁，設計汽車荷載標準為城-A級，屬于重要的橋梁結構，一旦在地震中遭到破壞，可能導致的生命財產以及間接經濟損失將會非常巨大，正確的抗震分析對確保橋梁抗震安全性具有非常重要的意義。主要分析內容如下：明確了抗震設防標準和地震動參數；建立了動力分析模型；進行了動力特性、非線性動力時程分析及橋墩的抗震性能驗算。

2 設防標準和地震動參數

2.1 設防標準

橋位處場地抗震設防烈度為7度，水平向設計基本地震加速度峰值為0.10g，場地類別為II類，設計特征周期為0.40 s[1～2]。該市政橋梁屬于乙類橋梁，而乙、丙和丁類橋梁的抗震設計方法根據橋梁場地地震基本烈度和橋梁結構抗震設防分類，分為：A、B和C三類，該市政橋梁屬于A類，A類橋梁應進行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗算，并應滿足橋梁抗震體系以及相關構造和抗震措施的要求；抗震體系選用類型I，即在E2作用下，使連續剛構雙薄壁墩墩頂和墩底產生塑性鉸，以此來耗能；該市政橋梁屬于非規則橋梁，在E2地震作用下，可采用TH（線性或非線性時程計算方法）進行計算[2]。本文采用了TH法即非線性時程計算方法進行了抗震分析計算。

2.2 地震動加速度時程

由于未見本項目地震動安全評估報告和地震動加速度時程數據，根據水平向設計加速度反應譜曲線的特征，采用基于ARMA模型的自編程序生成7條加速度時程曲線[3]，經調整得到和設計加速度反應譜兼容的7組E2地震作用下X、Y方向加速度時程曲線樣本。ARMA模型是考慮幅值和頻率雙重非平穩性時變隨機地震動模型，全稱為自回歸移動平均模型。限于篇幅，給出了1條由自編程序生成的加速度時程曲線樣本。見圖2。

3 計算模型和動力特性分析

3.1 計算模型

采用空間有限元軟件Midas/Civil2022，建立該連續剛構橋的計算模型，以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。主梁和橋墩均采用空間梁單元。見圖3。

在橋梁的抗震分析中，常用的一種樁基礎的處理方法是在承臺底部加6個方向的彈簧來模擬樁基礎的剛度[4]，并根據承臺底部的內力按照靜力方法反算單樁。彈簧剛度根據土層狀況和樁的布置形式按靜力等效的原則確定，土性參數根據“m法”確定。全橋動力有限元模型共有單元404個，節點413個。

3.2 動力特性分析

分析和認識橋梁結構的動力特性是進行抗震性能分析的基礎[5]；因此首先對全橋進行了動力特性分析。模型采用多重Ritz向量法，計算得到橋梁結構的前100階自振周期和振型。見表1和圖4。

該橋動力特性的特點為：

1）基本周期為5.068 s＞5 s，屬于長周期，第1階振型為縱漂，對減小橋梁結構的地震反應是有利的，但將產生較大的全橋縱向位移[6]；

2）在模型前10階振型中，側彎和豎彎振型比例相同，即該橋橫縱向剛度比例適當，初步說明結構設計合理可靠。

4 動力時程分析

在全橋結構動力特性分析的基礎上，采用和設計加速度反應譜兼容的7組E2地震作用下X、Y方向加速度時程曲線作為地震動輸入，豎向加速度時程曲線由水平向加速度時程曲線乘以0.68得到，考慮地震輸入方向的影響，計算中分別考慮：順橋向+豎向、橫橋向+豎向2個工況，彎矩結果平均值[2]見圖5和圖6。

5 結構抗震性能驗算

乙類橋梁遭受E2地震作用時，震后使用要求為經搶修可恢復使用，永久性修復后恢復正常運營功能，損傷狀態為有限損傷[2]。

對主橋1#、2#墩進行了墩頂位移和塑性鉸抗剪驗算[7]，均滿足要求，限于篇幅，僅給出1#墩驗算結果。見表2和表3。

6 結論與展望

1）橋墩墩頂在E2地震作用下，其位移反應均在規范允許范圍之內，震后經搶修可恢復使用，滿足規范要求。

2）橋墩在E2地震作用下，其塑性鉸抗剪滿足規范要求。

3）本橋在進行動力時程分析時，僅選取了自編程序生成的加速度時程曲線，以后對類似的工程進行抗震分析時，如采用7條加速度時程記錄時，其中應選用2條與設定地震震級、距離、場地特性大體相近的實際地震動加速度記錄，通過時域方法調整，使其加速度反應譜與規范設計加速度反應譜相匹配。

4）本文僅采用加速度時程曲線進行了抗震分析，以后可采用設計地震動功率譜或位移譜法對上述結果進行對比分析，以期尋求最精準的橋梁抗震數值計算模擬方法。

參考文獻：

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[2]同濟大學 .城市橋梁抗震設計規范：CJJ 166—2011 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2011.

[3]Wang C，Liu K，Zhao R D. Evaluation of seismic resistance capacity for a cable-stayed bridge with double-tower-connected and deck-separated [C] .International Conference on Earthquake Engineering——the 1st Anniversary of Wenchuan Earthquake. Chengdu，China：2009.

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[7]黃佳梅. 高墩塑性鉸研究[J]. 湖南工程學院學報，2014，24（3）：73-76.