钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析与设计.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 133 钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析与设计 苏永刚 中冶南方城市建设工程技术有限公司，湖北 武汉 430077 摘要：摘要：为了提升钢筋混凝土曲线桥梁的抗震设计水平，总结了桥梁震害的特点和基本分析理论，分析了抗震设防目标、地震波选取、桥梁墩柱形式和构造设计、减隔震设计等。同时，以某高速公路桥梁为研究对象，通过Midasl/civil 软件建立有限元模型，从振型组合和位移两方面分析了桥梁结构的地震响应规律，研究成果可为曲线桥梁抗震设计提供理论指导。关键词：关键词：曲线桥梁；抗震理论；设计要点；地震响应；Midasl/civil 软件；工程实例 中图分类号：中图分类号：U442 0 引言 随着经济快速发展，各种桥梁工程的建设规模不断扩大。同时，地震是我国一种多发自然灾害，尤其是在西南地区。在地震力作用下，桥梁结构可能出现落梁、墩柱破坏、整体坍塌等病害，会造成一定程度的经济损失和人员伤亡。由于钢筋混凝土曲线桥梁受力机理复杂，抗震分析目前尚无统一成果1。因此，进一步研究曲线桥梁的抗震分析理论、设计要点、地震响应等具有重要的工程意义。1 曲线桥梁震害特点和抗震分析理论 1.1 桥梁震害特点 为了有效提高钢筋混凝土曲线桥梁的抗震能力，需先深入了解桥梁上部结构、下部结构、支座病害的具体特点，这样才能有针对性的选择抗震设计方案2。1.1.1 上部结构震害 钢筋混凝土曲线桥梁的上部结构病害有三种情况：自身震害、移位破坏（纵横向位移、扭转）、碰撞震害，其中自身震害主要表现为局部的钢结构屈曲，移位破坏大部分出现在没有设置伸缩缝的区域，碰撞震害是指桥台、桥梁间产生相互碰撞。1.1.2 下部结构震害 钢筋混凝土曲线桥梁出现下部结构震害是因为桥墩在地震力影响下发生弯曲、剪切、扭转作用，各种作用耦合在一起，共同破坏墩柱结构，严重的可能导致桥梁结构整体坍塌。1.1.3 支座震害 支座是钢筋混凝土曲线桥梁抗震能力最薄弱的部位之一，在地震力作用下，支座内外侧的反力并不完全相同。如果支座内外侧支座反力相差过大，可能出现落梁病害，导致桥梁坍塌。因此，在进行桥梁抗震设计时，应尽量采用减隔震支座3。1.2 桥梁抗震分析理论 钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析是结构动力学问题，常用的地震力计算方法有静力法、反应谱法、动态时程分析法等。不同地震力计算方法的适用条件并不完全相同，具体如表 1 所示：表 1 钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析方法对比 抗震分析方法分类 适用条件 静力法 弹性静力法 刚性大、跨度小的桥梁 静力弹塑性分析法 反应谱法 单振型 结构规则的桥梁 多振型 结构和受力复杂桥梁 动态时程法 弹性 结构规则的桥梁 非线性 结构和受力复杂桥梁 1.2.1 静力法 静力法最早由学者大坊森吉在上个世纪提出，是一项传统的桥梁抗震分析方法，其中弹性静力法是假设桥梁结构的各个构件的振动规律与地震相同，将惯性力视为作用在桥梁结构上的地震力，只考虑了地震加速度对桥梁结构的破坏作用，未考虑桥梁结构的动力特性、具体计算公式见式（1）42：max/FWag（1）式中：W桥梁结构自身重力，kg；amax地震动峰值加速度，与地震抗震设防烈度相关；g重力加速度，取 9.81m/s2。而静力弹塑性分析法是同时在桥梁结构上加载固定的竖向荷载和变化的水平荷载，在加载期间，桥梁中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 134 结构混凝土慢慢屈服，可以更好的模拟曲线桥梁的非线性变形特性。1.2.2 反应谱法 反应谱法在分析钢筋混凝土曲线桥梁时，考虑了其桥梁结构的动力特性，具体分析步骤如下：结合桥梁所在区域的地震统计数据来确定地震反应谱分解结构振型方程将各振型按既定规则组合。由此可知，反应谱法用在曲线桥梁抗震分析的主要工作量集中在振型分解和组合上，常用的振型组合方法有 CQC 法（完全平方根组合法）和 SRSS 法（平方和开方法），前者适用于振型较密集的桥梁结构，后者适用于振型周期相差大的桥梁结构。需注意，反应谱法只能得到各振型的最大响应值，即使公路桥梁抗震设计规范（JTG/T 2231-01-2020）中引入了综合影响系数 Cz，也难以准确分析钢筋混凝土曲线桥梁在整个地震过程中的响应。1.2.3 动态时程法 地震作用对钢筋混凝土曲线桥梁的影响大小取决于地震波的频谱、振幅、持续时间。动态时程法就是将地震波作为激励输入动力方程中，从初始状态开始逐步积分，直至地震荷载不再作用于结构物，从而准确计算出桥梁结构在地震每一瞬间的位移、速度、加速度响应值。2 曲线桥梁抗震设计要点分析 2.1 明确抗震设防目标 由 公 路 桥 梁 抗 震 设 计 规 范（JTG/T 2231-01-2020）可知，桥梁可根据公路等级、桥梁长度、修复难易程度等划分为 A 类桥梁、B 类桥梁、C 类桥梁、D 类桥梁。一般情况下，钢筋混凝土曲线桥梁是采用两水准进行设防，此时桥梁结构在 E1 地震和 E2地震下的损伤状态和震后使用要求见表 1：表 1 钢筋混凝土曲线桥梁抗震设防目标 桥梁类型 E1 地震作用 E2 地震作用 损伤状态 震后使用要求 损伤状态 震后使用要求 A 类桥梁 基本无损伤 正常使用 局部轻微损伤 不需修复或简单修复后可继续使用 B 类桥梁 严重损伤 经临时加固后可供应急交通使用 C 类桥梁 D 类桥梁 2.2 地震波选取 桥梁结构的地震响应规律不仅取决于其自身特性，还与地震波的频谱、振幅、持续时间等参数密切相关，故精确的地震波参数是开展钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析的基础。根据相关研究成果，地震波的选取方法主要有两种5：一是采用与桥梁所在区域地质情况相似的强震记录，比如 EI-centro 波、天津波、taft 波等。由于地震波具有明显的随机性，在实际项目中可选择多条地震波分别计算，取最不利的地震响应结果；二是人工合成地震波，具体可根据桥梁场地条件或公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-012008）中的“数字概率法”来拟合地震波。2.3 桥墩形式设计 在地震力作用下，钢筋混凝土桥梁的墩柱会产生弯扭耦合变形，这要求桥梁墩柱要有足够的强度和刚度，以免墩柱产生断裂或变形过大。曲线桥梁设计时常用的墩柱形式有空心薄壁墩（单薄壁墩和双薄壁墩）、门架墩、组合墩等，其中空心薄壁墩刚度较大，不宜超过 80m；门架墩横向采用系梁连接成一个整体，刚度大于空心薄壁墩，高度不宜超过 100m。2.4 墩柱构造设计 合理的墩柱配筋率是提高钢筋混凝土曲线桥梁抗震性能的关键，文章从横向箍筋和纵向钢筋两方面分别阐述桥梁墩柱的构造设计方法。桥墩的横向箍筋是用于约束混凝土的变形和纵向钢筋的压曲，其间距不宜过大或过小。当横向箍筋的间距过大，难以充分发挥约束，反之会大幅增加墩柱建设成本，横向箍筋间距 S 可按式（2）计算：36(1)usyfSdf（2）式中：sd纵向钢筋直径，mm；uf纵向钢筋屈服强度，kPa；yf纵向钢筋极限强度，kPa。墩柱的纵向钢筋配筋率越大，其抗震性能越好，但配筋率也不宜过大，否则会导致墩柱混凝土浇筑、振捣困难。墩柱的纵向钢筋最小配筋率,mins计算见式（3）6：,min0.145.84(1)(0.01)0.028ckskktyhff（3）式中：k轴压比，无量纲；t配筋率，%；ckf墩柱混凝土抗压强度，MPa。yhf横向箍筋抗拉强度，中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 135 MPa。2.5 减隔震设计 曲线桥梁减隔震是最经济、最有效的抗震控制技术，是利用隔震、减震装置将地震运动和桥梁结构分离，以延长结构周期、增加阻尼、分散水平力，从而保证桥梁上部结构的正常使用。2.5.1 延长结构周期 大量工程实践表明，钢筋混凝土曲线桥梁的自振周期地震卓越周期相差较小时，桥梁结构会与地震产生共振效应，桥梁震害较严重。此时，设计人员可增加过增加柔性支撑来延长桥梁结构的自振周期，以降低结构受地震能量的影响。2.5.2 增加阻尼 延长桥梁结构周期可以减小地震力，但也会增加其位移，此时可设计阻尼装置来增加桥梁结构阻尼，部分地震能量会被阻尼装置吸收，从而减小上部结构惯性力，从而控制桥梁结构的位移。2.5.3 水平力分散 对于一联的普通桥梁，结构上部结构的水平地震力主要由固定墩来承担的。为了减小地震力的影响，可结合桥梁上各桥墩、桥台、基础的刚度来合理设计支座布置方案，使地震作用尽量均匀地分配到所有桥墩上，共同承担地震力。3 钢筋混凝土曲线桥梁地震响应分析 3.1 工程概况 文章以某高速公路桥梁为研究对象，利用在MIDAS/civil 软件建立计算模型，计算其地震响应规律。该桥梁属于连续梁桥，设计荷载为公路 I 级，抗震设防烈度为 VII 度，桥梁全长 270m，跨径组合为(70+130+70)m。上部结构为连续箱梁。由于桥梁跨越沟谷，下部结构采用双柱式墩桩基础，桥台为重力式桥台，支座采用对称布置的铅芯橡胶支座。综合考虑计算效率和计算准确性，忽略预应力、温度、风荷载等桥梁地震响应的干扰。根据地质勘察结果，桥梁所在区域的土层（粉质黏土）厚度约 0.52.2m，下伏基岩以砂岩、砂质泥岩为主，无不良地质，地形坡角约为 1015，地表排水条件良好。不同地层的物理力学参数如下：粉质黏土重度18.5 kN/m3、粘聚力20kPa、内摩擦角 18、泊松比 0.30；砂岩重度 20.5 kN/m3、粘聚力 22kPa、内摩擦角 25、泊松比 0.25；砂质泥岩重度 21.0 kN/m3、粘聚力 24kPa、内摩擦角 28、泊松比 0.30。3.2 模型建立和网格划分 3.2.1 模型建立 在有限元软件 MIDAS/civil 中，梁单元有 2 个节点，每个节点有 6 个自由度，可同时模拟混凝土构件的剪、弯、扭等变形，故钢筋混凝土曲线桥梁的主梁、墩柱、基础等均采用梁单元模拟。同时，支座是将桥梁上部结构上所承担的荷载传递至下部结构，可用MIDAS/civil 软件中内置的一般支承、弹性连接和刚性连接等功能来模拟7。3.2.2 网格划分 一般情况下，桥梁网格数量越多、尺寸越小，地震响应计算越准确，但计算效率越低。综合考虑计算效率和计算精确度，桥梁模型网格划分时尺寸取 1.0m，网格类型为六面体单元，最终划分出 156 个节点，128个单元，见图 1：图 1 钢筋混凝土曲线桥梁抗震计算模型 3.3 地震响应计算结果 3.3.1 振型组合分析 因篇幅限制，仅 MIDAS/civil 软件中的空间迭代法分析桥梁结构的前 10 阶振型，其中一阶振型为主梁纵向漂移、二阶振型为主梁对称竖弯、三阶振型为主梁反对称竖弯、四阶振型为主梁对称竖弯、五阶振型为主梁横向漂移、六阶振型为主梁对称竖弯、七阶振型为桥墩同向侧弯、八阶振型为桥墩异向侧弯、九阶振型为主梁二阶对称竖弯、十阶振型为主梁二阶反对称竖弯8。3.3.2 减隔震支座效果 利用 MIDAS/civil 软件计算了铅芯橡胶支座（减中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 136 隔震支座）设置前后曲线桥梁关键截面的位移变化规律9，计算结果见表 1：表 1 曲线桥梁关键截面位移变化 设计参数 未减隔震 减隔震后 跨中纵向位移（m）最大值 0.038 0.025 最小值-0.032-0.023 跨中横向位移（m）最大值 0.0041 0.0026 最小值-0.0028-0.0022 中墩墩顶纵向位移（m）最大值 0.039 0.027 最小值-0.032-0.028 中墩墩顶横向位移（m）最大值 0.0059 0.0026 最小值-0.0045-0.0026 由表 1 可知，刚进混凝土曲线桥梁设置减隔震支座后，其关键截面的位移有明显降低。跨中纵向位移最大值和最小值分别减小了 35%、29%，跨中横向位移最大值和最小值分别减小了 37%、23%，中墩墩顶纵向位移最大值和最小值分别减小了 31%、13%，中墩墩顶横向位移最大值和最小值分别减小了 56%、43%。4 结论 本文研究了钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析基本理论、抗震设计要点及减隔震支座对桥梁地震响应的影响，得到了以下几个结论：（1）曲线桥梁抗震分析是结构动力学问题，常用分析方法包括静力法、反应谱法、动态时程分析法等。（2）曲线桥梁抗震设计前要先明确设防目标和地震波参数，并选择合理的墩柱形式和构造设计方案。在条件允许时，可采用减隔震支座来延长结构周期、增加阻尼、分散水平力。（3）在地震力作用下，桥梁结构的不同阶振型有明显区别。经计算，减隔震支座能明显降低主梁和墩柱位移。参考文献 1张永奎.基于MidasCivil的桥梁下部构造抗震计算分析及应用J.科学技术创新,2023(13):205-208.2陈攀,贺金海.基于拉索减震支座的高墩桥梁抗震设计策略J.城市道桥与防洪,2023(04):111-114.3李博.桥梁抗震与抗风设计理念及设计方法J.中华建设,2023(03):65-67.4李双红.大跨度索结构桥梁抗震设计与加固方法研究J.交通世界,2023(2):217-219.5谢晓辉,李非.钢筋混凝土曲线桥梁抗震设计方法J.公路交通科技(应用技术版),2018,14(11):206-208.6顔世健.钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析与设计J.信息记录材料,2018,19(04):47-49.7韩冉.高墩大跨曲线桥在长周期地震动作用下的响应分析D.北京:北京交通大学,2017.8闫磊,李青宁,程麦理等.曲线桥梁漂浮抗震体系地震模拟振动台试验及有限元分析 J.振动与冲击,2016,35(02):1-6.9侯文杰.城市曲线桥梁地震反应分析的研究意义及进展J.甘肃科技,2011,27(12):105-106.作者简介：作者简介：苏永刚（1990），男，汉族，江西吉安人，硕士研究生，路桥工程师，研究方向为桥梁设计。