赛果高速高墩展线桥抗震性能分析

王 竹 吴静秋 向 阳

（中国公路工程咨询集团有限公司 北京 100097）

抗震概念设计（seismic concept design）是指根据工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结等获得的基本设计原则和设计思想，正确地解决总体方案、结构布置、材料使用和细部构造等，以便达到合理抗震设计的目的。抗震计算设计（seismic numerical design）是指依据一定的结构简化模型，按地震作用计算、内力分析及组合、强度计算、构造措施等的抗震数值分析［1－2］。抗震概念设计是对结构抗震性能方向性的把握，起主导作用；抗震计算设计以抗震概念设计为前提，是对抗震概念设计的补充完善和精确化［3－6］，以从根本上消除结构中的抗震薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，使设计出的结构具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。

1 抗震概念设计

赛果高墩展线桥为预应力连续梁结构，墩高最大达66.73 m，设计地震动峰值加速度：0.18 g。基于本桥的结构特点，在抗震设计中，提出以下抗震概念设计：

（1）基础形式设计。采用整体性较好的桩基础，桩基础嵌入基岩。

（2）高墩设计。因墩高达66.73 m，长细比较大，为提高墩身的刚度，减少墩顶的位移，墩身沿高度方向采用变截面箱型墩，下大上小。

（3）墩身水平力的分配。因地震烈度较大，上构对墩身的水平力较大，因此，对于墩高较高的连续墩，均设置纵向固定支座，以便上构对墩身的水平力由3个墩身同时承担。

（4）支座设计。因结构的地震响应较剧烈，为改善结构的抗震性能，支座采用减隔震支座。

2 结构抗震分析

选取具有代表性的一联结构进行分析，K577＋484左幅特大桥40～44号墩及耦联的K577＋492右幅特大桥39～43号墩。

建模时为了计算精确，把计算联的左右相邻联也一起建出。计算联和相邻联通过伸缩缝分开，并在伸缩缝处添加了可考虑桥梁碰撞影响的Combin单元，见图1。

图1 Combin单元设置示意图

2.1 抗震计算模型

分析计算采用的是大型通用有限元分析程序ANSYS，主梁和桥墩均采用ANSYS空间梁单元Beam188，该单元为铁木辛柯梁单元，具有一次插值形函数，通过细化的网格划分，可以有效地模拟各类梁柱构件的性能。

按照实际尺寸建立左幅特大桥36～47号桥墩（3联）桩基模型，考虑桩土共同工作，通过计算得到不同深度的侧向刚度，等效为土弹簧进行模拟。与之耦联的右幅特大桥35～46号墩（3联）桩基模型通过计算嵌固深度考虑，在保证精度的前提下减少模型节点数目，提高运算效率。左幅特大桥40～44号桥墩（3联）结构有限元模型见

图2 左幅特大桥40～44号桥墩（3联）结构计算模型

2.1.1 支座的模拟

因结构的地震响应较剧烈，为改善结构的抗震性能，支座采用减隔震支座。通过支座的力学试验可知，支座在动力荷载作用下力和位移的曲线见图3。

图3 力和位移的曲线

从图3可见，支座具有非线性性能。其中：QY为屈服剪力；K1为屈前刚度；K2为屈后刚度。采用双线性模型表达隔震支座的本构关系，双线性模型图见图4。

图4 双线性模型图

在桥梁的正常运营情况下，第一刚度K1足以抵抗风等水平荷载，支座处于弹性工作阶段，保证桥梁的安全运营。在地震作用下，由于支座水平变形较大，超出屈服点后，进入第二刚度K2。双线性模型K1，K2围成了滞回面，起到了耗能的作用，降低地震对上部结构的作用。同时，由于采用橡胶隔震支座，延长了结构的周期。从地震反应谱分析，延长了结构周期，反应谱值减小，起到隔震作用。

隔震支座和桥梁支座的双线性滞回性能采用COMBIN40单元模拟，其单元形式见图5。

图5 COMBIN40单元示意

2.1.2 地震参数的输入

根据《安评报告》，抗震设防标准取为两级地震水准：50年超越概率10%的地震和50年超越概率2%的地震，作为结构抗震性能研究的设防水准。与这两级设防地震相应的抗震性能目标为：在50年超越概率10%的地震作用下结构主体构件没有损坏；在50年超越概率2%的地震作用下结构没有发生严重破坏和倒塌。地震动参数见表1。

表1 场地设计地震动参数

时程分析时，加速度峰值PGA＝Khg。式中：g为重力加速度。

考虑到隔震支座等连接构件的非线性特征，为保证计算结果准确可靠，这里采用50年10%地震超越概率进行结构的非线性时程分析，检算结构的强度。

地震动输入选取El－centro波和Taft波2组地震波，3分量同时输入。将2组分析结果的平均值作为构件强度检算的依据。

地震动输入方向的确定，其中水平向2个分量分别与20，24号墩连线方向平行（正交），与40，44号墩连线方向平行（正交）。

2.2 抗震分析结果

对结构在地震作用下的控制截面的强度及结构位移进行验算。

2.2.1 地震作用下结构强度验算

根据计算结果，将地震力与恒载的组合值对构件进行强度检算，结果见表2、表3。

表2 40～44号墩底截面强度检算

表3 40～44号桥墩桩基截面强度检算

通过以上检算结果可知，40～44号桥墩与桩基控制截面的组合内力均小于相应截面的抗弯能力，结构在3向地震作用下均处于弹性工作状态，不发生破坏。

2.2.2 地震作用下结构位移验算

各支座、梁端位移分析结果见表4、表5。

表4 左幅40～44号墩支座位移 cm

表5 左幅40～44号墩结构梁端位移 cm

对左幅40～44号墩支座位移和伸缩缝位移进行检算，见表6、表7。

表6 左幅40～44号墩支座位移检算 cm

表7 左幅40～44号墩结构伸缩缝位移检算cm

由于梁体和墩顶的位移方向一致，二者之间的相对位移量并不大，与隔震支座的极限水平位移比较，可知支座没有破坏；同时根据比较梁墩相对位移与构造尺寸，可知不会发生落梁破坏；44号墩顶伸缩缝损伤，其余伸缩缝工作正常。

3 结语

（1）50年10%地震超越概率水平（偶遇地震）下，桥墩与桩基控制截面的组合内力均小于相应截面的抗弯能力，结构在3向地震作用下均处于弹性工作状态，未发生破坏。

（2）50年2%地震超越概率水平（罕遇地震）下，比较隔震支座的极限水平位移，可知支座没有破坏；同时比较梁墩相对位移与构造尺寸可知，结构不会发生落梁破坏；除24，44号墩处伸缩缝可能发生损伤之外，其余伸缩缝工作正常。

［1］ 范立础，王志强.桥梁减隔震设计［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 陈 虎.桥梁抗震概念设计［J］.国外建材科技，2004（2）：122－123

［3］ 宋晓东，李建中.山区桥梁的抗震概念设计［J］.地震工程与工程振动，2004（1）：92－96.

［4］ 蔡 龙，杜宏彪.结构抗震中的概念设计［J］.结构设计与研究应用，2007（4）：93－94.

［5］ 宋晓东，李建中.山区桥梁的抗震概念设计［J］.地震工程与工程振动，2004，24（1）：92－96.