连续梁桥地震反应谱分析

张 东 亮

(青藏铁路公司德令哈工务段，青海 海西 817000)



连续梁桥地震反应谱分析

张 东 亮

(青藏铁路公司德令哈工务段，青海 海西 817000)

以平安湟水河桥跨径(48+80+48)m的连续梁桥为算例，根据桥梁所处的地质条件，建立了三维空间有限元模型，并进行了动力特性分析，计算得到了连续梁桥反应谱的内力响应，指出综合分析地震力组合输入对该桥的影响是必要的。

连续梁，反应谱，地震响应，动力特性

地震是人类生存、社会发展过程中偶遇的自然现象。它是地壳快速释放能量过程中造成的振动。通常说的地震指构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到达地面后引起的地面摇动。21世纪是地震活跃期，如：2008年5月，四川省汶川县发生8.0级地震，海地2010年1月8.5级地震，智利2010年2月8.9级地震，以及日本2011年3月9.0级地震已造成多座桥梁的破坏，人员严重的伤亡。桥梁作为交通枢纽的基础建筑设施，一旦遭受损坏，抢修非常困难，将对地震地区救援等产生巨大的影响[1,2]，导致很大的次生经济损失，因而，针对交通生命线中重要节点的桥梁进行深入抗震研究具有重要意义。地震动对大跨度连续桥梁结构的响应的影响[3-5]不可忽视，而抗震设计往往成为大跨度连续梁桥设计中的控制因素[6.7]。大跨度连续梁桥是我国铁路建设中广泛使用的桥型之一，这种桥型大多采用“多跨一联”的结构形式，在一联桥跨中通常仅设置一个固定墩，在地震荷载作用下，由于上部结构的惯性力主要由固定墩承担，因此固定墩必须满足强度及延性的要求，因此大跨连续梁桥固定墩大多采用钢筋混凝土重力式桥墩。

1 工程概况及动力分析模型

1.1 工程概况

平安湟水河铁路桥为一联三跨预应力混凝土连续梁，桥梁的结构形式为(48+80+48)m，截面为单箱单室、变高度、直腹板、箱形结构，主墩墩顶5.0m范围内梁高均为6.65m，跨中及边跨现浇段梁高3.85m。梁底曲线为二次抛物线，梁底抛物线方程为y=0.002 1x2；箱梁顶宽12.2m、底宽6.7m，单侧悬臂长2.75m，悬臂端部厚24.8cm，悬臂根部厚65cm。箱梁腹板为直腹板，腹板厚度由箱梁梁体主墩墩顶根部90cm变至跨中及边墩支点附近梁段48cm。底板在箱梁梁体主墩墩顶根部90cm变至跨中及边跨直线段厚40cm。顶板厚40cm，其中箱梁梁体边墩顶根部加厚至80cm。顶板设90cm×30cm的倒角，底板设30cm×30cm的倒角。两个主墩墩身高分别为23.5m和13.5m。上部箱梁采用C50混凝土，桥墩采用C30混凝土。地基以黏土矿物等为主，地震基本烈度为7度。

1.2 有限元计算模型及动力特性分析

借助大型通用分析软件ANSYS建立了大桥三维有限元计算模型。箱梁截面采用单元Plane82建立，主梁和桥墩采用单元Beam188模拟，主梁节点与桥墩用节点耦合来模拟支座。两主墩底部固结，主梁与边墩处约束竖向位移及绕纵桥向的转动自由度。

采用兰索斯块形划分法对该连续梁桥进行了模态分析，计算出前60阶的自振频率和振型，其中前5阶的动力特性如表1所示。

表1 连续梁桥的动力特性

2 反应谱的选择

根据本桥桥址场地类型，采用三水平的抗震设计方法进行研究评价，该桥采用100年10%(100年超越概率水平10%，即E1概率)、100年2%(100年超越概率水平2%，即E2概率)和50年2%(50年超越概率水平2%，即E3概率)三个概率水准进行计算。顺桥向和横桥向选取的地震波一样，而竖向地震波选取幅值调整系数为0.60。同时，阻尼比取0.05。分别计算了E1概率、E2概率和E3概率三种概率地震动作用下的桥梁地震反应。

3 反应谱的计算结果及分析

计算中取前60阶振型进行叠加，竖向反应谱值取水平向的0.60倍。对于三种概率水平均计算了纵桥向输入+竖向输入(工况1)和横桥向输入+竖向输入(工况2)对连续梁桥主梁和桥墩内力的影响。图1，图2为不同工况下主梁内力响应曲线，主梁的内力响应在E2概率水平下最大，E3概率水平下次之，E1概率水平下最小。工况1作用下主梁的轴力、纵向弯矩和竖向剪力响应较大，其他内力响应可忽略不计；工况2作用下主梁的纵向弯矩、扭矩、竖向剪力和横向剪力响应较大，轴力和竖向弯矩响应次之。工况1作用下主梁的轴力在墩梁连续处出现突变，峰值在3号墩梁连接处，其值分别为31 730kN，26 090kN和18 500kN；主梁的纵向弯矩在墩梁连接处出现最大值，其值分别为100 800kN·m，82 900kN·m和46 100kN·m，在中跨范围内有较小值；主梁的竖向剪力在3号墩梁连接处出现最大值，其值分别为6 240kN，5 130kN和2 633kN，跨中出现最小值。工况2作用下主梁的扭矩在墩梁连接处附近振荡并出现峰值，最大值分别为22 700kN·m，18 700kN·m和14 000kN·m，主梁的横向弯矩和竖向剪力在3号墩梁连接处出现最大值，其值各为258 000kN·m，209 000kN·m和152 000kN·m及4 890kN，4 020kN和1 810kN,主梁的横向剪力在2号墩梁连接处出现最大值，其值分别为15 100kN，12 500kN和9 270kN。

4 结语

1)连续梁桥的主梁内力响应在墩梁连接处有突变或峰值，即墩梁连接处响应较大，所以支座是桥梁抗震方面的薄弱环节。2)不同的反应谱对主梁和桥墩内力均有不同的影响，内力响应在E2概率水平下最大，E3概率水平下次之，E1概率水平下最小，因此，抗震设计中合理选用设计反应谱曲线极为重要。3)工况1作用下，与E1概率水平下相比，E2概率水平下主梁跨中的纵向弯矩和竖向剪力分别增大了143%和109%，E3概率水平下分别增大100%和71%；工况2作用下，与E1概率水平下相比，E2概率水平下2号、3号桥墩墩底竖向弯矩分别增大了63%和64%，E3概率水平下分别增大34%和35%。

[1]邓小伟.基于两水平设防的连续梁桥抗震性能分析.石家庄铁道大学学报,2012,25(4):39-42.

[2]苏 虹，胡世德.连续梁桥的抗震性能分析.结构工程师,2002(2):36-40.

[3]王 强.某连续梁桥地震反应谱分析.山西建筑，2012，38(24):181-182.

[4]林万杰.大跨长联预应力混凝土连续梁桥地震反应分析.成都:西南交通大学硕士学位论文，2006.

[5]苗 林，陈兴冲.西小坪预应力连续箱梁桥抗震分析.兰州交通大学学报,2007,26(1):52-55.

[6]董 超.大跨度铁路连续梁桥地震反应分析.成都:西南交通大学硕士学位论文，2007.

[7]戴晓春，袁 明，何庭国.高速铁路长联大跨连续梁桥地震响应分析.桥梁建设,2006(2):144-146.

Analysisoncontinuousbeambridgeseismicresponsespectrum

ZhangDongliang

(Delingha Railway Section, Qinghai-Tibet Railway Company, Haixi 817000, China)

TakingthecontinuousbeambridgeofPing’anHuangshuiRiverbridgespan(48+80+48)masanexample,accordingtothegeologicalconditionofbridgelocation,thispaperestablishedathree-dimensionalfiniteelementmodel,andcarriedondynamiccharacteristicsanalysis,calculatedandgainedtheinternalforceresponseofcontinuousbeambridgeresponsespectrum,pointedoutthatthecomprehensiveanalysisonseismiccombinationinputwasnecessarytoinfluencethebridge.

continuousbeam,responsespectrum,earthquakeresponse,dynamiccharacteristic

1009-6825(2015)01-0186-02

2014-10-23

张东亮(1981- )，男，工程师

U

A