向大峰

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

梁拱組合結(jié)構(gòu)橋梁是一種兼具拱橋和梁橋特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)形式，作為大跨度橋梁在鐵路工程中被廣泛采用。幾次大地震造成橋梁工程的嚴(yán)重破壞，揭示了橋梁工程抗震研究的重要性。對于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)以及減震措施，不少學(xué)者進(jìn)行了大量研究。李忠獻(xiàn)[1]等用數(shù)值方法模擬了行波激勵下的地震反應(yīng)；梁田[2]分析了梁拱組合協(xié)作體系在地震作用下各結(jié)構(gòu)內(nèi)力，戴公連[3]等分析了高階振型、幾何非線性、行波效應(yīng)等因素對大跨度鐵路連續(xù)梁拱組合橋的地震響應(yīng)；諸葛翰卿[4]等研究了橫橋向地震作用對鋼拱橋地震損傷發(fā)展的影響；蔣垠蘢[5]等研究了拱形連續(xù)梁橋抗震性能。

本文以(83.9+168+83.9)m連續(xù)梁-柔拱橋?yàn)槔?，分析了該梁拱結(jié)構(gòu)橋梁的抗震性能。以及在常規(guī)體系罕遇地震延性不通過的情況下，采用雙曲面球型減隔震支座的減震效果。結(jié)果表明，雙曲面球型減隔震支座減震效果明顯。

1 工程概況

1.1 連續(xù)梁拱結(jié)構(gòu)方案

本文以一座跨度為(85+168+85)m連續(xù)梁-柔性拱組合結(jié)構(gòu)橋?yàn)槔?，總體布置圖如圖1所示。對圖1中的墩柱進(jìn)行了編號，其中2#墩為固定墩。

圖1 大橋立面(單位：m)

主拱計(jì)算跨度L=168m，設(shè)計(jì)矢高f=33.6m，矢跨比f/L=1∶5；橋梁的中墩以及邊墩都是混凝土實(shí)體墩，中墩縱、橫向尺寸為14.6m×5.0m；邊墩縱、橫向尺寸為12m×3.8m。建立全橋模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

1.2 地震參數(shù)

橋址處場地地震動峰值加速度為0.22g，反應(yīng)譜特征周期為0.60s。50年10 %(設(shè)計(jì)地震作用) 和50年2 %(罕遇地震作用)超越概率的加速度反應(yīng)譜(阻尼比5 %)計(jì)算公式如式(1)。豎向地震作用均取相應(yīng)水平地震動的0.65倍。

Sa(t)=Amaxβ(t)

(1)

式中：T為反應(yīng)譜周期；Amax為峰值加速度；T0、Tg為反應(yīng)譜拐點(diǎn)周期；Sa(T)為周期為T時的反應(yīng)譜值；βm為相對反應(yīng)譜最大值；k為衰減指數(shù)。各參數(shù)的取值見表1。在多遇地震作用下，需考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.5。

表1 反應(yīng)譜參數(shù)取值(5%阻尼比)

根據(jù)橋址處地震震級和場地特性，對設(shè)計(jì)地震和罕遇地震分別人工合成地震動加速度時程。典型加速度時程如圖3所示。

(a)設(shè)計(jì)地震時程波

(b)罕遇地震時程波圖3 水平向加速度時程曲線

2 常規(guī)體系抗震分析

對常規(guī)體系建立的線性動力模型，根據(jù)多遇地震、設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用的場地加速度反應(yīng)譜，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，取前500階振型，按CQC方法進(jìn)行組合，橋墩在“縱橋向+豎向”及“橫橋向+豎向”作用下反應(yīng)譜法分析結(jié)果見表2～表4。

表2 多遇地震作用下橋墩墩底截面彎矩 kN·m

表3 設(shè)計(jì)地震作用下橋墩墩底截面彎矩 kN·m

在多遇地震作用下，橋墩墩底截面彎矩均小于橋墩的等效屈服彎矩，橋墩未屈服；設(shè)計(jì)地震縱向地震力作用下，橋墩墩底截面彎矩大于等效屈服彎矩，橫向地震力作用下，1#墩和4#墩的墩底彎矩已非常接近橋墩的等效屈服彎矩；罕遇地震作用下，橋墩墩底截面彎矩大于等效屈服彎矩，橋墩進(jìn)入塑性，需要對橋墩進(jìn)行延性抗震計(jì)算。

表4 罕遇地震作用下橋墩墩底截面彎矩 kN·m

3 罕遇地震作用下延性抗震驗(yàn)算

本文采用彈塑性集中塑性鉸梁單元來模擬固定墩縱向非線性性能，僅在縱橋向設(shè)置塑性鉸，計(jì)算塑性鉸的等效屈服彎矩以及等效屈服曲率。該模型固定墩墩底設(shè)置了縱向塑性鉸并對對固定墩單元剛度折減，其余單元模擬方式與常規(guī)模型相同。橋墩鋼筋混凝土構(gòu)件截面的配筋率按0.5 %及0.75 %，根據(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.3.3節(jié)規(guī)定進(jìn)行延性抗震驗(yàn)算。罕遇地震作用下塑性鉸的等效屈服彎矩均為539 800kN·m，等效屈服曲率均為0.483×10-3(1/m)。墩頂位移分別為0.335m及0.303m。位移延性比均為5.8>4.8，因此延性設(shè)計(jì)均不滿足要求。

4 減震體系抗震分析

由于常規(guī)體系在設(shè)計(jì)和罕遇地震作用下固定支座要承受很大的水平地震力(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)支座的水平承載能力)，不滿足延性設(shè)計(jì)要求，使用雙曲面球型減隔震支座對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行減震，并對其減震效果進(jìn)行分析。

4.1 減震措施

減震體系是在所有墩柱上設(shè)置雙曲面球型減隔震支座，縱橫橋向均考慮雙曲面球型減隔震支座的減震效果。支座結(jié)構(gòu)上包括滑動凹球面的上支座板、雙凸球面的中支座板及轉(zhuǎn)動凹球面的下支座板；針對減震體系，建立橋梁的非線性動力模型。主梁、拱肋、橋墩和吊桿等模擬方法均與線性模型相同，僅邊界連接條件的模擬方式有所差異。多遇地震下剪力銷未剪斷，對罕遇地震下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)進(jìn)行非線性時程分析。

4.2 罕遇地震作用下抗震驗(yàn)算

減震體系在罕遇地震作用下橋墩墩底彎矩及驗(yàn)算結(jié)果見表5。

表5 罕遇地震作用下橋墩墩底抗震驗(yàn)算結(jié)果 kN·m

由表4、表5結(jié)果對比可知，使用雙曲面球型減隔震支座可以有效減小罕遇地震作用下墩底彎矩值，且均小于等效屈服彎矩，雙曲面球型減隔震支座可以有效起到減隔震作用。

5 結(jié)論

根據(jù)連續(xù)梁拱資料，建立了(85+168+85)m的大跨度連續(xù)梁橋的空間彈性動力計(jì)算模型，采用反應(yīng)譜和非線性時程方法進(jìn)行地震反應(yīng)分析，研究了結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)計(jì)地震及罕遇地震作用下的地震反應(yīng)。對橋墩進(jìn)行了驗(yàn)算，得出如下結(jié)論：

(1)多遇地震作用下，連續(xù)梁拱墩底彎矩小于其初始屈服彎矩，截面保持為彈性工作狀態(tài)，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

(2)設(shè)計(jì)地震作用下，墩底彎矩接近或者大于初始屈服彎矩，橋墩即將或者已經(jīng)進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，罕遇地震作用下，墩底彎矩大于等效屈服彎矩，橋墩進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，需要對橋墩進(jìn)行延性抗震計(jì)算。

(3)罕遇地震作用下，雙曲面球型減隔震支座可以有效減小各橋墩縱、橫向墩底彎矩值，發(fā)揮明顯的減隔震作用。