武兆馳

(中國中鐵四局集團(tuán)第二工程有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215131)

不同場地條件下曲線梁橋抗震性能研究

武兆馳

(中國中鐵四局集團(tuán)第二工程有限責(zé)任公司，江蘇蘇州 215131)

為了研究不同場地條件對曲線梁橋抗震性能的影響，依據(jù)美國NEHRP場地劃分規(guī)則，按照譜兼容的原則選擇符合不同場地類型的天然地震動(dòng)，并以一座曲線連續(xù)梁橋?yàn)槔瑢ζ溥M(jìn)行了地震作用下的動(dòng)力彈塑性分析，完成了不同場地條件下曲線連續(xù)梁橋的抗震分析。研究結(jié)果表明：場地條件會(huì)對曲線梁橋結(jié)構(gòu)的響應(yīng)產(chǎn)生顯著的影響，并且結(jié)構(gòu)響應(yīng)從A類場地到E類場地依次增加。因此在曲線梁橋的抗震設(shè)計(jì)中如果忽略場地條件帶來的影響，將會(huì)過低地估計(jì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

橋梁工程； 曲線梁橋； 場地條件； 抗震分析

處于不同場地條件的建筑結(jié)構(gòu)在同一次地震中往往會(huì)表現(xiàn)出不同程度的損傷，這是由于場地條件會(huì)對地震動(dòng)的特性產(chǎn)生較大的影響。這些影響主要體現(xiàn)在對地震動(dòng)的幅值和頻譜特性的改變，具體表現(xiàn)為對地震動(dòng)的放大和縮小，進(jìn)而直接影響到建筑物的破壞程度[1-2]。在1906年美國發(fā)生舊金山大地震后，Wood[3]對震中區(qū)附近的震害進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)不同場地條件上的建筑物差異十分明顯，并且隨后的全球強(qiáng)震記錄以及震害調(diào)查資料都與Wood給出的結(jié)果相一致。這使得如何正確估計(jì)場地條件對工程結(jié)構(gòu)的影響成為地震工程學(xué)的熱點(diǎn)問題。對于橋梁在不同場地條件下的地震響應(yīng)，各國學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較為廣泛的研究，如簡支梁橋[4]、大跨橋梁[5]、鋼管混凝土橋[6]、高墩橋[7-8]、斜拉橋[9]等。

1 工程概況

為了研究不同場地條件對曲線梁橋抗震性能的影響，本文以一座跨徑布置為4×40 m、曲率半徑為R=100 m的曲線連續(xù)混凝土梁橋?yàn)槔?。其主梁截面形式采用頂板?2 m、底板寬7.5 m的單箱雙室結(jié)構(gòu)，外側(cè)懸臂端板長為2.25 m，懸臂端部厚度為0.15 m，懸臂根部厚度為0.45 m；箱梁頂板厚0.25 m，箱梁端部厚度增至0.45 m，箱梁底板厚0.25 m，箱梁端部厚度增至0.45 m；梁高為2 m，腹板厚0.05 m；蓋梁長度為10.7 m，橫截面形式為1.6 m×1.7 m；在3#中間墩兩圓柱形橋墩之間布設(shè)的橫系梁尺寸為0.12 m×0.1 m×0.6 m；1#、2#、4#、5#橋墩直徑為1.5 m，3#橋墩直徑為2 m，均為圓形雙柱墩；1#、5#橋墩墩高17 m，2#、4#橋墩墩高20 m，3#橋墩墩高25 m。主梁采用C40混凝土，蓋梁和橋墩采用C30混凝土。各個(gè)蓋梁頂面對稱布置兩個(gè)盆式橡膠支座，其中1#、2#、4#、5#墩布設(shè)順橋向單向滑動(dòng)支座，3#中間墩布設(shè)固定支座。圖1為全橋整體布置圖。

圖1 全橋整體布置(單位：cm)

2 有限元模型建立

對于上述曲線梁橋結(jié)構(gòu)，以Ansys有限元軟件為平臺，建立了全橋動(dòng)力分析三維有限元模型。主梁、橋墩均采用每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng))的兩節(jié)點(diǎn)梁單元(beam189)進(jìn)行模擬。盆式橡膠支座采用雙線性理想彈塑性彈簧單元(combin39)模擬,墩底處的支撐采用約束所有自由度的固定支撐。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型(單位：cm)

對于1#、2#、4#及5#墩墩頂布置的單向滑動(dòng)支座，按照橋梁抗震規(guī)范[10]采用雙線性滯回模型進(jìn)行模擬(圖2)。支座的初始剛度按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：μ為摩擦系數(shù)，依據(jù)支座試驗(yàn)結(jié)果取值為0.15；d為屈服位移，取值為0.0025；N為支座對上部結(jié)構(gòu)的支反力。各支座詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

3 地震波的選取

對于場地效應(yīng)的研究，依據(jù)美國NEHRP場地分類標(biāo)準(zhǔn)[11]來劃分場地，并使用PEER-NGA譜模型[12]來生成目

表1 滑動(dòng)支座等效模型的計(jì)算參數(shù)

標(biāo)譜。這是因?yàn)镻EER-NGA譜模型通過Vs30來確定場地分類，可以和NEHRP場地劃分標(biāo)準(zhǔn)很好的相對應(yīng)。為了使結(jié)果具有一般性，每種場地條件下均選擇了3條符合要求的地震動(dòng)時(shí)程記錄，每條地震動(dòng)分別沿X向、Y向及X+Y向進(jìn)行輸入，其中X向?yàn)閮蓸蚺_連線方向，Y向?yàn)榇怪庇趦蓸蚺_連線方向。此外，由于地震動(dòng)均包含了兩個(gè)方向的加速度時(shí)程，即FN(垂直于斷層)向和FP(平行于斷層)向，因此定義峰值較大的那個(gè)方向的加速度時(shí)程為主地震動(dòng)時(shí)程，另外一個(gè)方向的加速度時(shí)程為次地震動(dòng)時(shí)程。在進(jìn)行單向輸入時(shí)，分別沿X向和Y向輸入，并且每個(gè)方向的輸入均采用主加速度時(shí)程。而對于雙向輸入，將分為兩種情形：在第一種情形中，X向采用主加速度時(shí)程，Y向采用次加速度時(shí)程，激勵(lì)方向記為XY向激勵(lì)；第二種情形反之，激勵(lì)方向記為YX。所有工況如表2所示，圖3給出了對應(yīng)于各類場地的實(shí)際地震動(dòng)加速度時(shí)程。

圖3 不同場地條件下所選各地震動(dòng)的加速度時(shí)程

表2 對于場地效應(yīng)研究的工況設(shè)置

4 計(jì)算結(jié)果分析

按照第3節(jié)所列出的工況，基于OPENSEES有限元平臺采用彈塑性時(shí)程分析方法研究了場地效應(yīng)對曲線梁橋結(jié)構(gòu)抗震響應(yīng)的影響。為了衡量在不同場地條件下地震作用所引起的加速度響應(yīng)大小，本文采用了Arias強(qiáng)度即AI(Arias Intensity)來表示結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)的大小。AI是由Arias提出的以時(shí)域方法描述地震動(dòng)潛在破壞趨勢的一個(gè)參數(shù)[13]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(2)

對于橋墩墩頂?shù)募铀俣软憫?yīng)AI，本文以3#橋墩為例，圖4、圖5分別給出了在單向輸入和雙向輸入下橋墩切向和徑向加速度響應(yīng)的AI。從圖3可以看出場地條件從A變化到E，在單向激勵(lì)下墩頂加速度響應(yīng)的AI逐漸變大。從圖4中也可以發(fā)現(xiàn)對于雙向激勵(lì)橋墩加速度響應(yīng)的AI也有相同的規(guī)律。此外還可以發(fā)現(xiàn)，相對于A類場地，E類場地對墩頂加速度響應(yīng)的放大作用最為明顯。從圖4中可以看出，對于切向響應(yīng)，主方向?yàn)閅向時(shí)對橋墩加速度響應(yīng)的放大作用更為明顯；而對于徑向響應(yīng)，當(dāng)主方向?yàn)閄向時(shí)對橋墩加速度響應(yīng)的放大作用更為明顯。

(a)切向響應(yīng)

(a)切向響應(yīng)

(b)徑向響應(yīng)圖5 雙向輸入下墩頂加速度響應(yīng)AI

圖6、圖7給出了橋梁結(jié)構(gòu)在不同場地條件下受單向激勵(lì)和雙向激勵(lì)時(shí)的橋墩相對位移。從圖5可以看出，在單向激勵(lì)下橋墩的相對位移從A類場地到E類場地依次增大。從圖6也可以看出在雙向激勵(lì)下，橋墩相對位移從A類場地到E類場地依次增大。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，曲線梁橋在C類場地和D類場地條件下的橋墩相對位移比較接近。

圖8給出了在單向激勵(lì)和雙向激勵(lì)下不同場地條件的支座位移。從圖7中可以看出，與墩頂加速度響應(yīng)AI和橋墩相對位移類似，支座變形也從A類場地到E類場地依次增大。場地條件對支座位移、墩頂加速度以及橋墩變形均產(chǎn)生了顯著影響。

(a)切向響應(yīng)

(b)徑向響應(yīng)圖6 單向輸入下橋墩相對位移

(a)切向響應(yīng)

(b)徑向響應(yīng)圖7 雙向輸入下橋墩相對位移

5 結(jié)論

本文基于一座典型的曲線梁橋，研究了不同場地條件對其地震響應(yīng)的影響。針對每種場地條件均選擇了3條實(shí)際地震記錄，并進(jìn)行了動(dòng)力彈塑性分析，對比了曲線梁橋在不同場地條件下的地震響應(yīng)，可以得出以下結(jié)論：

(1)場地條件對曲線梁橋的墩頂加速度響應(yīng)、橋墩相對位移以及支座變形均產(chǎn)生了明顯的影響。并且結(jié)構(gòu)響應(yīng)從A類場地到E類場地依次增大；

(2)場地條件會(huì)引起結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生顯著的變化，如果在曲線梁橋的抗震設(shè)計(jì)中不考慮場地條件的影響，將會(huì)低估結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

(a)單向輸入

(b)雙向輸入圖8 支座位移

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武兆馳(1978～)，男，工程師，主要研究方向：橋梁施工及結(jié)構(gòu)空間行為。

U442.5+5

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[定稿日期]2014-11-07