公路桥梁拓宽后的抗震性能研究

全治宇 吴晓伟 赵高杰

从目前的研究现状来看，对桥梁结构抗震能力的评定，其评定结果通常为定性结论，而且往往受到较强的主观意见影响，缺乏定量数据的支持，难以合理有效地确定桥梁结构的抗震性能。因此，桥梁结构抗震评定定量化研究将是今后抗震性能研究的一个关键内容。在工程应用方面，我国现有JTJ 004-89公路工程抗震设计规范与GB 50111-2006铁路工程抗震设计规范仅局限于针对规则桥梁，并采用单一的抗震设防标准进行设计地震作用下的强度检算，没有采用具体措施来确保桥梁结构的整体延性，也没有采用具体的设计方法来防止地震作用下结构可能产生的剪切破坏。由于现有规范的局限性和桥梁结构的复杂性，所以新建和已建的桥梁，在其设计时对抗震因素考虑的不够全面，难以保证结构的抗震安全性，另外，对新旧结构动力相互作用机理还不十分清晰，所以对拓宽后的桥梁抗震能力的评定也是一片空白。

本文以吉林省某一连续桥梁为工程背景。采用大型通用有限元程序ANSYS建立依托工程的旧桥模型和两种不同拓宽方式(新旧盖梁连接和新旧盖梁分离)的桥梁模型，采用等效塑性铰的方法对拓宽后桥梁进行了弹塑性地震响应分析和评价。研究纵桥向、横桥向两种工况下桥梁结构的弹塑性地震响应分析，讨论了各工况下结构塑性铰的形成、发展和破坏模式，分析了每级地震下结构塑性铰出现位置、时间先后顺序、形成数量。通过研究各工况下结构在纵桥向和横桥向所能承受的最大地震荷载等级，实现了对两种桥梁拓宽方式的抗震性能的对比分析，可为今后拓宽桥梁的抗震性能评定提供参考以及拓宽方式的优先选择。

1 工程概况

1.1 旧桥技术标准

本文以吉林省某一预应力连续梁桥拓宽工程作为分析实例。该桥拓宽前为4联×(6孔×25 m)预应力混凝土简支变连续的工字形组合梁桥。桥梁全长606 m。下部结构为双柱墩。设计荷载为汽车—超20级，挂车—120。所在的场地类型为第二类场地土，地震烈度为7度，按8度设防。

1.2 桥梁拓宽方案

本文对该桥拓宽提出两种方案，方案一，二的上部结构新旧主梁之间都通过植筋技术和横隔板进行连接。方案一将原有桥梁的盖梁与拓宽的盖梁相连接。方案二拓宽部分下部盖梁与原桥盖梁分开，新旧盖梁间留一定距离的沉降缝。

2 地震波激励选择

在研究桥梁地震响应问题时，首先要确定地震波的输入方向，地震沿不同的方向输入时，结构中产生的地震效应是不同的，只有在某一特定的地震波输入方向上，结构物的某点或某截面的某一应力或者内力才达到极值。由于地震发生在时间和空间上的随机性，很难确定使结构产生最大反应的地震作用方向。参考国内外相关规范并结合国内科研机构的研究成果，本文根据依托工程的具体情况，确定进行地震分析时地震波输入方向为:纵桥向和横桥向两个方向。

3 有限元分析模型

利用有限元程序ANSYS建立了连续梁桥空间三维有限元模型，其中上部主梁用梁格法离散成梁单元用Beam4单元模拟，桥梁铺装质量用Mass21单元模拟，橡胶支座用Combin14单元模拟，伸缩缝用Combin40单元模拟，盖梁和墩桩也用梁单元Beam4单元模拟，梁与盖梁通过支座单元进行连接，约束桩底单元节点的所有自由度，约束桥台处支座弹簧单元一端节点的所有自由度。坐标轴约定:主梁两端头的连线为X轴(顺桥向)，与之垂直的平面内的轴为Z轴(横桥向)，桥梁竖向为Y轴。连续梁的数值分析采用了3个模型。模型一:既有旧桥模型。模型二:新旧盖梁连接模型(对应方案一)，以下简称连接模型。模型三:新旧盖梁分离模型(对应方案二)，以下简称分离模型。

4 桥梁桥墩地震弹塑性分析

4.1 纵向地震波工况下数值计算结果对比分析

1)在峰值为0.2g的纵向地震波作用下旧桥模型的5b墩顶，5c墩顶截面弯矩最大值大于各自截面的屈服弯矩，出现两个塑性铰，出现时间为17.16 s。2)在峰值为0.3g的纵向地震波作用下，旧桥模型出现18个塑性铰。塑性铰最早出现在5b墩顶，出现时间为9.58 s。在峰值为0.3g的纵向地震波作用下，连接模型出现16个塑性铰。塑性铰最早出现在1c墩底，出现时间为5.46 s。在峰值为0.3g的纵向地震波作用下，分离模型出现17个塑性铰。塑性铰最早出现在5b墩顶，出现时间为3.16 s。3)在峰值为0.4g的纵向地震波作用下，旧桥模型出现28个塑性铰。塑性铰最早出现在5b墩顶，出现时间为 3.14 s。在峰值为0.4g的纵向地震波作用下，连接模型出现28个塑性铰。6.84 s的时候1c墩底的绕纵桥轴转角超过极限塑性转角，墩破坏，连接模型能承受的最大纵向加速度峰值为0.4g。在峰值为0.4g的纵向地震波作用下，分离模型出现 23个塑性铰。6.26 s的时候1b墩底，1c墩底，2b墩底，2c墩底的绕纵桥轴转角超过极限塑性转角，墩破坏。6.22 s的时候3b墩底，3c墩底的绕横桥轴转角超过极限塑性转角，墩破坏，分离模型能承受的最大纵向加速度峰值为0.4g。4)在峰值为0.4g的纵向地震波作用下，旧桥模型没有出现破坏截面，连接模型与分离模型都出现了破坏截面，拓宽后的桥梁抗震性能不如拓宽前的桥梁。

综合上述，在加速度峰值为0.4g的纵向地震波作用下，分离模型的桥墩破坏截面的数量多于连接模型，且分离模型破坏的时间也早于连接模型，所以推荐新旧盖梁连接的桥梁拓宽方式。

4.2 横向地震波工况下数值计算结果对比分析

1)在峰值为0.2g的横向地震波作用下。旧桥模型的1b墩顶，1c墩顶，2b 墩顶，2c墩顶，3b 墩顶，3c墩顶，5b 墩底，5c 墩底截面弯矩最大值大于各自截面的屈服弯矩，出现8个塑性铰，最早出现时间为8.66 s。

连接模型出现4个塑性铰。塑性铰最早在2b墩顶，出现时间为10.42 s。

分离模型的1b墩顶，1c墩顶，2b墩顶，2c墩顶，3b墩顶，3c墩顶，5b墩底，5c墩底截面弯矩最大值大于各自截面的屈服弯矩，出现8个塑性铰，最早出现时间为9.40 s。

2)在峰值为 0.3g的横向地震波作用下。旧桥模型出现22个塑性铰。塑性铰最早在2b墩底，出现时间为2.24 s。7.04 s的时候1b墩顶、1c墩顶的绕横桥轴转角超过极限塑性转角，墩破坏，旧桥模型能承受的最大横向加速度峰值为0.3g。

连接模型出现26个塑性铰。塑性铰最早在1c墩顶、2b墩顶，出现时间为2.24 s。9.50 s的时候5c墩底的绕纵桥轴转角超过极限塑性转角，墩破坏，连接模型能承受的最大横向加速度峰值为0.3g。

分离模型出现22个塑性铰。9.60 s的时候5b墩底的绕横轴转角超过极限塑性转角，墩破坏。9.60 s的时候5b墩底和5c墩底的绕纵轴转角超过极限塑性转角，墩破坏，分离模型能承受的最大横向加速度峰值为0.3g。

综合上述，在加速度峰值为0.3g的横向地震波作用下，分离模型的桥墩破坏截面的数量多于连接模型，且分离模型破坏的时间也早于连接模型。旧桥模型桥墩破坏截面的数量多于连接模型和分离模型，推荐新旧盖梁连接的桥梁拓宽方式。

5 结语

研究表明在纵桥向工况下，该依托工程在两种拓宽方式下，两者都能承受加速度峰值为0.4g的EL-Centro地震波，对新旧盖梁连接的拓宽桥梁来说，其桥墩在破坏时间上晚于新旧盖梁分离的桥梁，且前者的破坏程度也轻于后者。在横桥向工况下，虽然两者最大都能承受加速度峰值为0.3g的EL-Centro地震波，但新旧盖梁连接的拓宽桥梁桥墩在破坏时间上晚于新旧盖梁分离的桥梁，前者的破坏程度也轻于后者。结果表明，两种拓宽方式桥梁都满足旧桥抗震要求;采用新旧桥盖梁连接的加固改造方式的桥梁抗震性能优于两者分离的改造方式。本文研究成果，可供同类桥梁加固改造参考。

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