全治宇 吳曉偉 趙高杰

從目前的研究現(xiàn)狀來看，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力的評(píng)定，其評(píng)定結(jié)果通常為定性結(jié)論，而且往往受到較強(qiáng)的主觀意見影響，缺乏定量數(shù)據(jù)的支持，難以合理有效地確定橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此，橋梁結(jié)構(gòu)抗震評(píng)定定量化研究將是今后抗震性能研究的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。在工程應(yīng)用方面，我國(guó)現(xiàn)有JTJ 004-89公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范與GB 50111-2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范僅局限于針對(duì)規(guī)則橋梁，并采用單一的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)地震作用下的強(qiáng)度檢算，沒有采用具體措施來確保橋梁結(jié)構(gòu)的整體延性，也沒有采用具體的設(shè)計(jì)方法來防止地震作用下結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生的剪切破壞。由于現(xiàn)有規(guī)范的局限性和橋梁結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，所以新建和已建的橋梁，在其設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)抗震因素考慮的不夠全面，難以保證結(jié)構(gòu)的抗震安全性，另外，對(duì)新舊結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用機(jī)理還不十分清晰，所以對(duì)拓寬后的橋梁抗震能力的評(píng)定也是一片空白。

本文以吉林省某一連續(xù)橋梁為工程背景。采用大型通用有限元程序ANSYS建立依托工程的舊橋模型和兩種不同拓寬方式(新舊蓋梁連接和新舊蓋梁分離)的橋梁模型，采用等效塑性鉸的方法對(duì)拓寬后橋梁進(jìn)行了彈塑性地震響應(yīng)分析和評(píng)價(jià)。研究縱橋向、橫橋向兩種工況下橋梁結(jié)構(gòu)的彈塑性地震響應(yīng)分析，討論了各工況下結(jié)構(gòu)塑性鉸的形成、發(fā)展和破壞模式，分析了每級(jí)地震下結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)位置、時(shí)間先后順序、形成數(shù)量。通過研究各工況下結(jié)構(gòu)在縱橋向和橫橋向所能承受的最大地震荷載等級(jí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩種橋梁拓寬方式的抗震性能的對(duì)比分析，可為今后拓寬橋梁的抗震性能評(píng)定提供參考以及拓寬方式的優(yōu)先選擇。

1 工程概況

1.1 舊橋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本文以吉林省某一預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋拓寬工程作為分析實(shí)例。該橋拓寬前為4聯(lián)×(6孔×25 m)預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支變連續(xù)的工字形組合梁橋。橋梁全長(zhǎng)606 m。下部結(jié)構(gòu)為雙柱墩。設(shè)計(jì)荷載為汽車—超20級(jí)，掛車—120。所在的場(chǎng)地類型為第二類場(chǎng)地土，地震烈度為7度，按8度設(shè)防。

1.2 橋梁拓寬方案

本文對(duì)該橋拓寬提出兩種方案，方案一，二的上部結(jié)構(gòu)新舊主梁之間都通過植筋技術(shù)和橫隔板進(jìn)行連接。方案一將原有橋梁的蓋梁與拓寬的蓋梁相連接。方案二拓寬部分下部蓋梁與原橋蓋梁分開，新舊蓋梁間留一定距離的沉降縫。

2 地震波激勵(lì)選擇

在研究橋梁地震響應(yīng)問題時(shí)，首先要確定地震波的輸入方向，地震沿不同的方向輸入時(shí)，結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的地震效應(yīng)是不同的，只有在某一特定的地震波輸入方向上，結(jié)構(gòu)物的某點(diǎn)或某截面的某一應(yīng)力或者內(nèi)力才達(dá)到極值。由于地震發(fā)生在時(shí)間和空間上的隨機(jī)性，很難確定使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大反應(yīng)的地震作用方向。參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范并結(jié)合國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)的研究成果，本文根據(jù)依托工程的具體情況，確定進(jìn)行地震分析時(shí)地震波輸入方向?yàn)?縱橋向和橫橋向兩個(gè)方向。

3 有限元分析模型

利用有限元程序ANSYS建立了連續(xù)梁橋空間三維有限元模型，其中上部主梁用梁格法離散成梁?jiǎn)卧肂eam4單元模擬，橋梁鋪裝質(zhì)量用Mass21單元模擬，橡膠支座用Combin14單元模擬，伸縮縫用Combin40單元模擬，蓋梁和墩樁也用梁?jiǎn)卧狟eam4單元模擬，梁與蓋梁通過支座單元進(jìn)行連接，約束樁底單元節(jié)點(diǎn)的所有自由度，約束橋臺(tái)處支座彈簧單元一端節(jié)點(diǎn)的所有自由度。坐標(biāo)軸約定:主梁兩端頭的連線為X軸(順橋向)，與之垂直的平面內(nèi)的軸為Z軸(橫橋向)，橋梁豎向?yàn)閅軸。連續(xù)梁的數(shù)值分析采用了3個(gè)模型。模型一:既有舊橋模型。模型二:新舊蓋梁連接模型(對(duì)應(yīng)方案一)，以下簡(jiǎn)稱連接模型。模型三:新舊蓋梁分離模型(對(duì)應(yīng)方案二)，以下簡(jiǎn)稱分離模型。

4 橋梁橋墩地震彈塑性分析

4.1 縱向地震波工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

1)在峰值為0.2g的縱向地震波作用下舊橋模型的5b墩頂，5c墩頂截面彎矩最大值大于各自截面的屈服彎矩，出現(xiàn)兩個(gè)塑性鉸，出現(xiàn)時(shí)間為17.16 s。2)在峰值為0.3g的縱向地震波作用下，舊橋模型出現(xiàn)18個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早出現(xiàn)在5b墩頂，出現(xiàn)時(shí)間為9.58 s。在峰值為0.3g的縱向地震波作用下，連接模型出現(xiàn)16個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早出現(xiàn)在1c墩底，出現(xiàn)時(shí)間為5.46 s。在峰值為0.3g的縱向地震波作用下，分離模型出現(xiàn)17個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早出現(xiàn)在5b墩頂，出現(xiàn)時(shí)間為3.16 s。3)在峰值為0.4g的縱向地震波作用下，舊橋模型出現(xiàn)28個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早出現(xiàn)在5b墩頂，出現(xiàn)時(shí)間為 3.14 s。在峰值為0.4g的縱向地震波作用下，連接模型出現(xiàn)28個(gè)塑性鉸。6.84 s的時(shí)候1c墩底的繞縱橋軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞，連接模型能承受的最大縱向加速度峰值為0.4g。在峰值為0.4g的縱向地震波作用下，分離模型出現(xiàn) 23個(gè)塑性鉸。6.26 s的時(shí)候1b墩底，1c墩底，2b墩底，2c墩底的繞縱橋軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞。6.22 s的時(shí)候3b墩底，3c墩底的繞橫橋軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞，分離模型能承受的最大縱向加速度峰值為0.4g。4)在峰值為0.4g的縱向地震波作用下，舊橋模型沒有出現(xiàn)破壞截面，連接模型與分離模型都出現(xiàn)了破壞截面，拓寬后的橋梁抗震性能不如拓寬前的橋梁。

綜合上述，在加速度峰值為0.4g的縱向地震波作用下，分離模型的橋墩破壞截面的數(shù)量多于連接模型，且分離模型破壞的時(shí)間也早于連接模型，所以推薦新舊蓋梁連接的橋梁拓寬方式。

4.2 橫向地震波工況下數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

1)在峰值為0.2g的橫向地震波作用下。舊橋模型的1b墩頂，1c墩頂，2b 墩頂，2c墩頂，3b 墩頂，3c墩頂，5b 墩底，5c 墩底截面彎矩最大值大于各自截面的屈服彎矩，出現(xiàn)8個(gè)塑性鉸，最早出現(xiàn)時(shí)間為8.66 s。

連接模型出現(xiàn)4個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早在2b墩頂，出現(xiàn)時(shí)間為10.42 s。

分離模型的1b墩頂，1c墩頂，2b墩頂，2c墩頂，3b墩頂，3c墩頂，5b墩底，5c墩底截面彎矩最大值大于各自截面的屈服彎矩，出現(xiàn)8個(gè)塑性鉸，最早出現(xiàn)時(shí)間為9.40 s。

2)在峰值為 0.3g的橫向地震波作用下。舊橋模型出現(xiàn)22個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早在2b墩底，出現(xiàn)時(shí)間為2.24 s。7.04 s的時(shí)候1b墩頂、1c墩頂?shù)睦@橫橋軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞，舊橋模型能承受的最大橫向加速度峰值為0.3g。

連接模型出現(xiàn)26個(gè)塑性鉸。塑性鉸最早在1c墩頂、2b墩頂，出現(xiàn)時(shí)間為2.24 s。9.50 s的時(shí)候5c墩底的繞縱橋軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞，連接模型能承受的最大橫向加速度峰值為0.3g。

分離模型出現(xiàn)22個(gè)塑性鉸。9.60 s的時(shí)候5b墩底的繞橫軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞。9.60 s的時(shí)候5b墩底和5c墩底的繞縱軸轉(zhuǎn)角超過極限塑性轉(zhuǎn)角，墩破壞，分離模型能承受的最大橫向加速度峰值為0.3g。

綜合上述，在加速度峰值為0.3g的橫向地震波作用下，分離模型的橋墩破壞截面的數(shù)量多于連接模型，且分離模型破壞的時(shí)間也早于連接模型。舊橋模型橋墩破壞截面的數(shù)量多于連接模型和分離模型，推薦新舊蓋梁連接的橋梁拓寬方式。

5 結(jié)語

研究表明在縱橋向工況下，該依托工程在兩種拓寬方式下，兩者都能承受加速度峰值為0.4g的EL-Centro地震波，對(duì)新舊蓋梁連接的拓寬橋梁來說，其橋墩在破壞時(shí)間上晚于新舊蓋梁分離的橋梁，且前者的破壞程度也輕于后者。在橫橋向工況下，雖然兩者最大都能承受加速度峰值為0.3g的EL-Centro地震波，但新舊蓋梁連接的拓寬橋梁橋墩在破壞時(shí)間上晚于新舊蓋梁分離的橋梁，前者的破壞程度也輕于后者。結(jié)果表明，兩種拓寬方式橋梁都滿足舊橋抗震要求;采用新舊橋蓋梁連接的加固改造方式的橋梁抗震性能優(yōu)于兩者分離的改造方式。本文研究成果，可供同類橋梁加固改造參考。

[1] 桂炎德，徐立新.滬杭甬高速公路(紅墾至沽渚段)拓寬工程設(shè)計(jì)方法[J].華東公路，2004(7):59-64.

[2] 于春利，王光偉.309國(guó)道平度—萊西段大中橋改造設(shè)計(jì)[J].山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，10(3):71-73.

[3] 孟廣文.關(guān)于公路舊橋拓寬設(shè)計(jì)問題的思考[J].公路交通技術(shù)，2004(3):71-75.