舍卡大橋地震響應分析

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【文獻標志碼】 A

0 引言

在現代社會高速發展的時代背景下，我國公路工程得到了跨越式發展，公路橋梁結構的設計理念也不斷完善，逐步與國際設計水平接軌，橋梁結構的抗震特性分析也不斷提升。在橋梁結構抗震特性分析中，尤其是針對實際應用規模較大的常規混凝土梁式橋在地震荷載作用下受力較為復雜，因此對橋梁結構的抗震設計顯得越發重要。

1抗震分析方法

抗震設計是指在地震力作用下，結構物具有抵抗傾覆和破壞的能力。為了實現這一目標，可以采用多種方法來進行抗震分析，其中較為常見的為反應譜法和時程分析法兩種方法。

1.1 反應譜法

反應譜法是一種基于地震水平加速度譜分析的抗震設計方法。核心思想是將地震力轉化為一組獨立的單自由度系統，建立該系統的加速度反應譜，通過反應譜分析來確定建筑物的抗震性能。反應譜是指在具有特定阻尼的單自由度系統中，該系統所達到的最大加速度響應與地震作用時間的比值。其實質上是以時間為變量的響應加速度的極值。反應譜法的主要特點是將復雜物理過程簡化為單自由度系統，簡化了數學模型，從而簡化了分析，大大降低了計算難度。此外，反應譜法還具有計算快捷、結果可讀性好、工程實用性強等優點，因此被廣泛地應用于抗震設計。

1.2 時程分析法

時程分析法是一種全動態分析方法，是一種將地震波直接作用于結構物模型上進行計算的方法。時程分析法的核心思想是采用計算機模擬地震過程中實際結構的動態響應，通過一系列計算趨勢來掌握結構的動態行為。結構物的動態響應可以分析出結構的應力、位移、變形等重要參數，從而判斷其抗震性能。

此外，時程分析法還可以分析結構在地震作用下的破壞機理，為相關專業人員提供參考依據，指導抗震設計。

1.3 兩種方法的比較

反應譜法的優點主要在于計算速度快、理論簡單、結果準確可靠。對于小型結構和無特殊要求的結構，反應譜法是一種較好的分析方法，同樣適用于需要快速得出結論和進行初步設計的情況。此外，反應譜法還適用于結構自然頻率和阻尼比變化較小、結構減震比較低的情況。

時程分析法的優點在于計算過程中更加精確、適用性范圍更廣、能夠反映更多的結構響應。時程分析法對結構的非線性和失穩失效狀態預測能力強，對于大跨度橋梁、高墩橋梁和特殊結構等抗震性能要求較高的結構物分析更合適。

2 工程概況

香格里拉至麗江高速公路是連接香格里拉至麗江的唯一高速公路，該公路屬于橫斷山脈區域的山區公路，地形、地質條件較為復雜。舍卡大橋為左右分離式，半幅橋寬12.25m，上部結構采用先簡支后連續T梁，下部結構采用雙柱式墩。本文取最不利的第5號 ～10 號橋墩來分析，第5號、10號橋墩墩頂為滑板支座不作分析，橋梁布置見圖1，墩高及地質條件類型見表1。

圖1橋梁立面布置

表1橋墩高度、地質條件

3地震參數取值

根據 JTG/T2231-02-2020 《公路橋梁抗震設計規范》，本橋的基本信息見表2。

表2橋梁抗震基本信息

根據規范本橋最大墩高 gt;30m ，屬于非規則橋梁，應采用反應譜法或時程分析法進行橋梁的抗震計算。

4計算模型及計算方法

本文采用MidasCivil建立本橋的三維空間模型，進行地震響應時程分析，由于聯端采用滑板支座，所以模型中沒有建立聯端橋墩；支座水平方向的剪切剛度均采用彈性連接進行模擬，豎向剛度采用 10⁶kN/m ;橋墩樁基的側向約束剛度采用“ m \"法（土彈簧）模擬，在本軟件中通過節點彈性支撐來實現；橋梁三維有限元模型見圖2。

圖2橋梁三維有限元模型

4.1反應譜法計算結果

首先采用反應譜法進行E2地震作用下的抗震計算，E2抗震分析的基本參數見表3，E2計算結果見表4。

表3E2抗震分析設計加速度反應譜參數

表4E2抗震計算結果

由于上部結構為連續梁，一聯橋梁的墩頂位移基本相同，各橋墩協同受力，橋墩內里重分配導致墩高越矮剪力越大，因此6號橋墩的剪力最大為 744kN 0

4.2地震響應時程分析法

地震波的選?。菏紫雀鶕黜椀卣饏涤嬎愕玫紼2地震作用對應的加速度峰值為 0.85g 。根據橋址處的特征周期、場地類別、結構基本周期選用對應的地震波；由于地震波主要產生水平作用力，因此通過增幅系數反復調試地震波的峰值，使得E2地震作用下的6號墩的墩底剪力 744kN 與地震波作用下的剪力相同，即剪力等效原則。最終選取了最適合本橋的地震波作時程分析，地震波見圖3。

圖3調整后的地震波

圖4地震波轉換的反應譜與規范中的反應譜

由圖4可以看到，地震波轉換的反應譜曲線與規范中給出的反應譜曲線擬合的比較好，表明地震波的選取比較合適，調整后的地震波能夠滿足規范的要求。

4.3時程分析法計算結果

采用集中鉸彈塑性梁單元對橋梁延性構件橋墩進行模擬，在地震波作用下對橋墩進行動力彈塑性分析，可以得到墩底截面的彎矩-轉角關系曲線，以及橋墩的最大彎矩、轉角、墩頂最大位移等時程曲線。

通過三維有限元模型計算結果（圖5）可以很直觀的看到順橋向最大塑性鉸發生在6號橋墩的樁基部位，在有限元軟件中可以直觀的看到地震波作用過程中橋梁結構隨著時間發生受力變化的動畫記錄。由于篇幅有限，將以6號橋墩最大轉角單元的截面作受力分析。

圖5順橋向塑性鉸位置

圖6墩底彎矩時程曲線

6號橋墩墩底截面彎矩在17s達到最大值19360kN/m 。

圖7橋墩墩頂位移時程曲線

在地震波作用激勵下，6號橋墩墩頂位移在17.1s時達到最大，最大值約 426mm 。

6號橋墩墩底截面轉動角在17s時達到最大轉角0.0016rad 。

通過圖 6～ 圖9可以清晰的看到在地震過程中橋墩的彎矩、墩頂位移、轉角隨著時間變化，并發現在17s附件橋墩的受力最不利。圖9直觀的反應了6號橋墩墩底彎矩-轉角滯回曲線關系，曲線范圍包含的面積越大表明墩柱消耗的地震能力越多。

4.4反應譜法和地震波法結果比較

由表5可以看出，最不利的6號墩采用地震波法得到的樁基最大彎矩和墩頂最大位移，比反應譜法得到的數值大

圖8橋墩墩底轉角時程曲線

圖9墩底截面的彎矩-轉角關系曲線

1.1～1.16 倍。盡管地震波法可以得到橋墩受力的時程分析數據，但三維有限元軟件模擬較為復雜，參數取值較多；在要求不高時采用反應譜法得到的數據也可以滿足工程結構的受力。

表56號墩樁基最大彎矩和墩頂位移

5 結論

本文通過midasCivil有限元軟件建立橋梁三維有限元模型，采用反應譜法和地震波的時程分析法進行抗震分析，橋墩墩頂位移、墩底截面轉角及彎矩等均隨地震波時間發生變化；并比較了反應譜法和地震波時程分析法的結算結果；通過三維有限元模型可以直觀判斷哪些位置發生了塑性變形；本文選取地震波的過程及塑性分析結果直觀，對山區非規則橋梁的抗震分析具有借鑒意義，可供廣大工程設計者參考。

參考文獻

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[4] 范立礎，卓衛東．橋梁延性抗震設計[M].北京：人民交通出版社，2001.