張 斌

(中鐵十八局集團科研設(shè)計院，天津300202)

在5·12大地震中，處于地震影響區(qū)的橋梁大多數(shù)受到了不同程度的損壞，部分橋梁倒塌或損毀嚴重，這些橋梁都位于山區(qū)的交通要道上，屬于生命線工程，它們的破壞，除了造成巨大的直接經(jīng)濟損失外，還給抗震救災帶來了極大的困難，地震影響范圍廣，全國絕大部分地區(qū)都有震感，四川、陜西、甘肅、重慶等省市的眾多地區(qū)受到了影響。某高速公路正是為了災后重建，發(fā)展當?shù)亟?jīng)濟而提出修建的。

大多數(shù)橋梁的抗震設(shè)計或分析中，豎向地震動的影響常不考慮。實際上，處在高烈度地震區(qū)的橋梁，特別是高墩橋梁的豎向作用引起的地震效應不可忽視。因此，在地震安全性評估時，需要對高烈度地震區(qū)的橋梁進行多向地震反應分析，并進行必要的反應組合。

1 工程概況

趙家堡大橋是某高速公路上的一座單向雙車道大橋，橋面凈寬11.25 m，主梁由4片等高度的小箱梁組成。橋梁全長320 m，分為8跨。全橋共兩聯(lián)，左橋臺到4號墩之間為一聯(lián)，4號墩到右橋臺之間為一聯(lián)，跨徑布置為(4×40+4×40)m。上部結(jié)構(gòu)采用裝配式部分預應力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)箱梁，梁高2 m。

趙家堡大橋7個橋墩高度相差較大，其中1、2號墩為樁柱式橋墩，3、4、5、6、7號橋墩為薄壁空心墩，全橋所有基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)。1到7號墩各墩高度依次分別為19 m、22 m、31 m、42 m、57 m、55 m、41 m。該橋荷載等級為公路-I級，橋位處地震動峰值加速度為0.2g，根據(jù)文獻［1］，場地類別為II類，按VIII度設(shè)防。由于該橋位于高烈度地震區(qū)，其豎向地震作用不可忽視。根據(jù)文獻［1］規(guī)定“豎向作用引起的地震效應很重要時，應同時考慮順橋向X、橫橋向Y和豎向Z的地震作用”。

2 考慮豎向地震作用對橋梁結(jié)構(gòu)地震反應的影響分析

本橋抗震計算采用空間有限元軟件Midas civil 2006，建立計算模型時主要考慮了以下幾個方面:

(1)趙家堡大橋為連續(xù)梁橋，上部結(jié)構(gòu)的剛度模擬不需要太精細，一般不需要采用三維實體單元或板單元，而是采用能夠反映上部質(zhì)量分布和剛度特性的簡化空間梁單元模擬［2］。橋面鋪裝層作為二期恒載處理。橫隔板采用虛擬梁單元，將其直接轉(zhuǎn)換為集中質(zhì)量施加到相應位置。

(2)高橋只有兩聯(lián)，如果單獨取一聯(lián)建立有限元模型，很難準確計算該橋兩聯(lián)交界處4號固定墩的地震反應;另外，1、2號墩和其它幾個空心墩高差較大，如果只取其中的一聯(lián)，很難準確模擬墩高高度差較大的情況。因此取全橋建立有限元模型，進行分析計算。

(3)大量板式橡膠支座的試驗結(jié)果表明，板式橡膠支座的滯回曲線呈狹長形，可以近似作線性處理。它的剪切剛度盡管隨著最大剪應變的變化和頻率的變化而變化，但對于特定頻率和最大的剪切角而言，可以近似看作常數(shù)。因此，該橋梁支座采用線性彈簧單元模擬，單元的質(zhì)量可采用集中質(zhì)量代表。其等效剪切剛度按下式計算［3］

式中，G為板式橡膠支座的動剪切模量;Ar為橡膠支座的剪切面積;∑t為橡膠層的總厚度。

(4)橋臺因為剛度較大，可以近似看作剛性，因此計算模型中沒有包含橋臺部分。考慮樁土與結(jié)構(gòu)的相互作用，該橋采用6個方向的彈簧剛度等代群樁作用。其剛度由實測地基系數(shù)的比例系數(shù)確定［4］。

在進行實際工程的地震反應時程分析時，如通過地震危險性分析能得到兩個水平向(縱橋向和橫橋向)的人工地震時程記錄和豎向人工地震時程記錄，可采用多向地震波同時輸入進行結(jié)構(gòu)地震反應分析。因此，為考慮豎向地震分量的影響，分別選擇水平向(順橋向+橫橋向)、水平+豎橋向兩種組合模式。其中豎向地震動輸入與水平向相同，只是加速度峰值按水平方向的2/3取，輸入模式為一致激勵［5］。

依據(jù)《某高速公路五水～駱垡段重要橋梁工程場地地震安全性評價報告》，分別選擇了50 a超越概率63.5%的安評地震波P1和50 a超越概率10%的安評地震波P2進行分析。圖1和圖2分別是分析中所用的兩條地震波，其時長均為30 s。

圖1 第一條安評波(P1)加速度時程曲線

圖2 第二條安評波(P2)加速度時程曲線

根據(jù)上述選波原則及這兩條地震波的特性，計算時間步長取為0.02 s，各墩內(nèi)力計算結(jié)果見表1～表4。由于篇幅有限，這里只給出4號墩的彎矩及剪力時程曲線，見圖3和圖4。

表1 各墩軸力計算結(jié)果kN

表2 各墩墩底彎矩M y計算結(jié)果kN·m

表3 各墩墩底彎矩M z計算結(jié)果kN·m

表4 各墩墩頂位移DX計算結(jié)果cm

圖3 水平+豎向地震力作用下4號墩墩底彎矩時程分析曲線

對比分析以上計算結(jié)果可以看出:

(1)就豎向地震作用對各墩的影響來看，雖然大部分內(nèi)力較只考慮水平向地震作用時增大了，但也有個別出現(xiàn)了減小甚至無變化現(xiàn)象。豎向地震作用對各墩的軸力影響明顯大于彎矩的影響，3、4、5、6、7號墩為空心墩，考慮豎向地震作用后各墩軸力均增大了90%以上。其中三號墩在P2波作用下的軸力增大了98.58%，2號墩在P2波作用下的軸力增大了27.39%。

(2)分別比較表2和表3可以看出，豎向地震作用對各墩的彎矩影響都不是很大。豎向地震作用對縱橋向彎矩(My)的影響要大于對橫橋向彎矩(Mz)的影響?？紤]豎向地震作用后，彎矩Mz基本上沒有什么變化。P2波作用下4號墩墩底彎矩減小了0.57%，而7號墩的墩底彎矩增大了0.6%。P1波、P2波作用下2號墩的橫橋向彎矩Mz分別增大了0.27%和0.72%，1號墩的橫向彎矩則減小了2.31%和0.5%。其它幾個墩的橫橋向彎矩基本上沒有沒有變化。

圖4 水平+豎向地震力作用下4號墩墩頂剪力時程分析曲線

(3)比較圖3和圖4，各墩剪力的時程曲線和彎矩時程曲線并不同步，剪力時程曲線較彎矩時程曲線變化要快。P2波作用下的各墩剪力和彎矩比P1波作用下的剪力明顯要大。P1波作用下4號墩墩底彎矩My為12 357.34 kN·m，P2波作用下4號墩墩底彎矩My則為61 164.35 kN·m，增大了近5倍。

(4)從表4的位移計算結(jié)果可以看出，豎向地震作用對各墩墩頂位移的影響較軸力和彎矩要小。對縱橋向的位移有大有小，全橋7號墩位移增幅最大，其橫橋向位移增大了只有0.01%。4號墩墩的位移沒有發(fā)生變化，5號墩的位移減小了不到0.03%。

3 結(jié)論

(1)豎向地震作用只對各墩最大軸力產(chǎn)生影響，而對墩底彎矩及各墩剪力幾乎沒有影響。對位移的影響也很小，幾乎可以忽略。軸力的增幅與墩高有關(guān)，對高墩的影響要大于對矮墩的影響，這與前面反應譜分析的結(jié)果是一致的。在考慮了豎向地震后，各橋墩的內(nèi)力和變形均有所變化，其中4號墩的墩頂剪力減小了0.07%，而墩底剪力減小了2.2%，說明豎向地震作用對墩底的影響要比墩頂?shù)挠绊懘螅覍Ω叨盏挠绊懸劝沾蟆?/p>

(2)雖然大部分橋墩的內(nèi)力和變形都出現(xiàn)了不同程度的增大，但是也有個別出現(xiàn)減小，形成這種情況是因為地震作用下橋墩的變形過程十分復雜。在這一過程中，豎向地震作用產(chǎn)生的附加彎矩在結(jié)構(gòu)的某些部位可以和水平地震力產(chǎn)生彎矩反號;再者，對于高墩橋梁來說，地震反應中的高振型含量豐富，蛇形變形會使各個節(jié)點質(zhì)量對體系下方部位產(chǎn)生的附加彎矩出現(xiàn)反號現(xiàn)象。由此可以看出考慮豎向地震作用后該橋的內(nèi)力和變形均有不同程度的變化，采用三向輸入的方式對該橋進行地震反應分析的方法更為合理。

［1］重慶交通科研設(shè)計院.JTJ/T B02-01—2008公路橋梁抗震設(shè)計細則［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［2］謝旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應分析［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［3］徐秀麗.高烈度地震區(qū)板式橋抗震性能研究［J］.橋梁建設(shè)，2009(1):22-24.

［4］李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與震動［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［5］張顯明.近場豎向地震動對鐵路橋梁地震反應的影響［J］.華北科技學院學報，2005，2(4):30-33.