結(jié)合JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》介紹了香麗路關(guān)防大橋抗震分析，通過時(shí)程曲線法對(duì)橋墩進(jìn)行非彈性分析；有關(guān)計(jì)算過程可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

抗震分析; 時(shí)程分析法; 塑性鉸

U442.5+5 A

［定稿日期］2021-11-25

［作者簡(jiǎn)介］高金亮（1985—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

香格里拉至麗江高速公路起于香格里拉市南，止于麗江市雄古鄉(xiāng)白漢場(chǎng)接大理至麗江高速公路，該高速公路對(duì)完善滇西北公路網(wǎng)和構(gòu)筑滇川藏“大香格里拉”旅游圈具有重要意義，也是云南省藏區(qū)第一條高速公路。該區(qū)域由于地處橫斷山脈，山高坡陡、地形復(fù)雜，所以采用了許多橋梁跨越河谷及深溝，下部結(jié)構(gòu)一般為高墩且橋墩高差較大，所在區(qū)域?yàn)榈卣鸶吡叶葏^(qū)，高墩橋梁受震被破壞后很難短時(shí)間修復(fù)，因此橋梁的抗震計(jì)算十分重要。

1 橋梁抗震分析方法

JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將橋梁分為規(guī)則橋梁和非規(guī)則橋，規(guī)則橋梁可采用單振型或多振型反應(yīng)譜法；非規(guī)則橋梁采用多振型反應(yīng)譜或時(shí)程分析法。反應(yīng)譜法的原理是把多自由度體系分解為若干個(gè)單自由度體系震動(dòng)的組合，其計(jì)算較為簡(jiǎn)單，但只能分析線彈性結(jié)構(gòu)狀態(tài)。時(shí)程分析法是對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行逐步積分得到的一種動(dòng)力分析方法，可計(jì)算出地震過程中每一瞬時(shí)結(jié)構(gòu)的位移、速度和加速度反應(yīng)，較為準(zhǔn)確的計(jì)算出結(jié)構(gòu)在地震過程中的內(nèi)力和位移隨時(shí)間的反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震過程中可能存在的薄弱環(huán)節(jié)或可能發(fā)生的震害。

對(duì)于非規(guī)則橋梁和受力較為復(fù)雜的橋梁，只有采用非線性時(shí)程分析法才能正確的計(jì)算結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)。

2 模型建立

2.1 工程概況

本文以關(guān)防大橋?yàn)閷?shí)例。該橋位于關(guān)防村K47+490處，上跨溫浪河；關(guān)防大橋半幅寬12.25 m，上部結(jié)構(gòu)采用5×30 m先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩；第1～4號(hào)橋墩高度依次為：9 m、35 m、46 m、26 m，本文選取最不利的3號(hào)橋墩進(jìn)行地震響應(yīng)時(shí)程分析。本橋地震動(dòng)峰值加速度為0.2g，地震加速度反應(yīng)譜特征周期為0.4 s，場(chǎng)地類型為II類。橋梁布置見圖1。

2.2 有限元模型及計(jì)算方法

本橋采用Midas Civil有限元軟件建立三維空間桿系模型，進(jìn)行地震響應(yīng)時(shí)程分析；橋墩及橋臺(tái)蓋梁頂面均設(shè)置了縱向及橫向限位擋塊來確保T梁與蓋梁共同受力，模型中采用彈性連接使得T梁與蓋梁水平向位移相同（實(shí)際地震時(shí)，梁體碰撞限位擋塊使得擋塊產(chǎn)生大位移的變形來耗能，最終擋塊破壞甚至失效）；橋墩樁基采用“m”法（土彈簧）模擬，在軟件中通過節(jié)點(diǎn)彈性支撐來實(shí)現(xiàn)；橋梁有限元模型見圖2。

2.3 時(shí)程分析參數(shù)

其中3號(hào)橋墩最大墩高46 m，已大于JTG/T 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的30 m，屬于非規(guī)則橋梁，需采用時(shí)程分析法進(jìn)行抗震分析。通常需選取2組實(shí)際強(qiáng)震記錄和1組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，再將3組數(shù)值取平均后與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線做比較，得出響應(yīng)的地震波，此方法較為復(fù)雜不便于設(shè)計(jì)人員掌握。本文推薦廣東省《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)程》，可直接根據(jù)特征周期和場(chǎng)地類別選用對(duì)應(yīng)的地震波，通過幅值系數(shù)調(diào)整峰值。

3 時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)果

采用集中鉸彈塑性梁?jiǎn)卧獙?duì)橋梁延性構(gòu)件橋墩進(jìn)行模擬，在E2地震作用下對(duì)橋墩進(jìn)行Pushover分析，可以得到墩底截面的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，以及橋墩的最大彎矩、軸力、墩頂最大位移等（圖3）。

通過模型計(jì)算結(jié)果，橫橋向的塑性鉸首先出現(xiàn)在系梁兩端與墩柱連接處，表明系梁先發(fā)生塑性變形產(chǎn)生破壞，這對(duì)墩柱受力是有利的；圖3順橋向塑性鉸最大處發(fā)生在1號(hào)墩的地面附近。對(duì)于上部結(jié)構(gòu)連續(xù)的橋梁，地震時(shí)由于上部結(jié)構(gòu)與墩頂位移相同，橋墩越高則橋墩頂?shù)椎南鄬?duì)位移越小，橋墩底部彎矩越小，所以矮墩受力最不利，矮墩的墩底彎矩最大，同樣矮墩最先進(jìn)入塑性階段。下文以進(jìn)入塑性階段的1號(hào)橋墩墩底單元做具體分析。

圖4墩底彎矩在4.87 s達(dá)到最大值8 864 kN·m，在3.87 s達(dá)到最小值-9 458 kN·m；通過圖4可以清晰地看到在地震過程中橋墩的彎矩隨著時(shí)間變化，對(duì)應(yīng)位置轉(zhuǎn)角及墩頂位移也隨著時(shí)間在變化，變化趨勢(shì)和彎矩圖大致相同。圖5直觀地反映了墩底彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線關(guān)系，黑線范圍包含的面積越大表明墩柱消耗的地震能力越多；由于墩底截面剛進(jìn)入塑性階段，因此彎矩-轉(zhuǎn)角滯回曲線不是很飽滿。

本橋各個(gè)橋墩的高度變化較大，導(dǎo)致高度最矮的橋墩受力最不利最先進(jìn)入塑性階段；如果最矮的橋墩塑性轉(zhuǎn)角較大則需通過增加矮墩的截面來增大墩柱剛度。山區(qū)橋梁由于各個(gè)橋墩高度差異較大，因此必須通過有限元計(jì)算來判斷各個(gè)橋墩是否進(jìn)入塑性階段，調(diào)整各個(gè)橋墩的剛度使得一聯(lián)中各個(gè)橋墩受力相對(duì)均勻，并判斷最大轉(zhuǎn)角是否滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)束語

本文通過Midas Civil有限元軟件對(duì)橋梁下部結(jié)構(gòu)采用時(shí)程分析法進(jìn)行抗震分析，橋墩墩頂位移、墩底截面轉(zhuǎn)角及彎矩等均隨時(shí)間發(fā)生變化，通過軟件可以直接判斷哪些位置發(fā)生了塑性變形；本文所用時(shí)程分析法選取地震波的過程及塑性分析結(jié)果直觀，對(duì)山區(qū)高差大的非規(guī)則橋梁的抗震分析具有借鑒意義，可供廣大工程設(shè)計(jì)者參考。

參考文獻(xiàn)

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［4］ 范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東. 橋梁延性抗震設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，2001.