上王沟大桥抗震性能分析

王 伟，惠广儿,马玉刚

（陕西瑞特公路工程科技有限公司，陕西 西安 710065）

1 工程概况

一个良好的抗震结构体系应能使各部分结构合理地分担地震力。这样，各部分结构都能充分发挥自身的抗震能力，对保证桥梁结构的整体抗震性能比较有利[1]。当墩高相差较大时，采用高墩和主梁固结，以提高高墩的抗推刚度,改善相邻墩刚度比，是使各个桥墩合理地分担水平力的一种有效的方法。上王沟大桥是黄渭线黄龙至蒲城高速公路的一座跨深沟大桥，该桥最大墩高44 m，最小墩高20 m，高低墩相差较大。该桥上部为6×40 m装配式预应力混凝土连续箱梁，下部为柱式墩、柱式台，桩基础。桥台采用四氟滑板橡胶支座，1号、5号低墩采用普通板式橡胶支座，2号、3号、4号高墩采用墩梁固结。桥墩采用C30混凝土，纵筋均采用HRB400钢筋，箍筋采用双肢C12钢筋。全桥总体布置见图1所示。

2 抗震设防标准

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）和《陕西省一般建设工程地震动参数表》，地震动峰值加速度：0.15g；反应谱特征周期：0.40s。根据《公路桥梁抗震设计细则》的规定，本桥应列为B类桥梁进行抗震设计，在中震（E1）水平下，结构在弹性范围内，基本不损伤；在大震（E2）水平下，延性构件（墩柱）可发生损伤，产生弹塑性变形，耗散地震能量，但延性构件（墩柱）的塑性铰区域应具有足够的塑性变形能力[1]。

根据桥梁的抗震设防标准，结合有限元分析程序对结构进行了两种水平地震下的响应分析，中震下采用弹性反应谱分析，并验证结构构件是否处于弹性阶段；大震下采用弹塑性时称分析，验证潜在的塑性构件的破坏程度。

3 结构动力特性

3.1 有限元模型建立

全桥所有杆件均采用梁单元模拟，支座采用弹性连接模拟，墩梁固结采用刚性连接模拟，地基刚度采用土弹簧模拟。全桥共划分2940个节点，3601个单元，有限元模型见图2所示。

3.2 动力特性分析

针对前述模型采用多重Ritz向量法计算了结构前60阶模态，表1列出了结构前10阶自振频率及振型特征。

该桥最大墩高超过40 m，高墩墩梁固结结构形式第一阶振型纵向有效质量只占33.85%，高墩板式橡胶支座结构形式第一阶振型纵向有效质量只占37.81%，为非规则桥梁，其动力响应特性复杂，桥梁抗震分析应采用多振型反应谱法和时程法。前十阶振型既有纵向的面内振动，又有横向的侧弯和扭转，在结构地震响应分析时，应同时考虑纵桥向和横桥向的激励。

4 地震响应分析

4.1 中震（E1）反应谱分析

采用有限元程序对全桥进行了顺桥向、横桥向弹性地震反应谱分析计算，采用SRSS法取前60阶振型进行组合，以保证足够的振型参与质量，并计算了桥墩在最大轴力作用下的屈服弯矩，以判定各个桥墩是否屈服。两种结构形式桥墩在水平地震力和恒载作用下的最不利组合内力及其所处的状态见表2和表3所列。

图1 全桥总体布置图

图2 全桥有限元模型

表1 结构自振频率及振型特征一览表

表2 固结结构形式反应谱分析水平激励下的最大响应一览表

表3 支座结构形式反应谱分析水平激励下的最大响应一览表

从表2、表3所列的结果可见，在中震（E1）地震力作用下，采用高墩墩梁固结结构形式，低墩墩底弯矩减少19%～31%，高墩墩底弯矩增加21%～27%，各个墩墩底弯矩分布趋于均衡，高墩墩顶亦产生与墩底相当的弯矩。高墩固结后，高墩墩底轴力减小，低墩墩底轴力增加，但是变化很小。

两种结构形式在中震下桥墩均保持在弹性范围内，且经过《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》5.3.9条验算承载力满足要求，桥梁满足中震下的抗震设防标准。

4.2 大震（E2）弹塑性时程分析

在大震弹性时程分析的基础上，本文利用纤维梁柱单元模拟墩顶、墩底单元，进一步分析了两种结构在大震激励下结构的塑性破坏过程。桥墩的地震与恒载组合内力见表4和表5所列。

从表4、表5所列的结果可见，在大震（E2）地震力作用下，采用高墩墩梁固结形式，低墩墩底弯矩增加14%～27%，高墩墩底弯矩增加24%～37%，低墩墩底轴力减少8%～28%，高墩墩底轴力减少1%～11%；墩底轴力减少、弯矩增加使偏心距增大，墩柱的抗弯能力降低。高墩支座形式只有1号墩屈服，高墩固结形式1号、5号墩均屈服。

表4 固结结构形式弹塑性时程分析水平激励下的最大响应一览表

表5 支座结构形式弹塑性时程分析水平激励下的最大响应一览表

图3、图4分别为高墩墩梁固结结构形式1号墩、高墩支座结构形式1号墩墩底截面弯矩曲率关系图。

由图3、图4可求得1号墩高墩固结形式截面曲率延性为5.5，高墩支座形式截面曲率延性为4.8，参照文献[2]表5-8，可知其性能要求均位于可修复的损伤水准。

图3 固结形式1号墩截面弯矩曲率关系图

图4 支座形式1号墩截面弯矩曲率关系图

图5～图7分别为高墩墩梁固结结构形式1号、5号墩墩底纤维单元截面破坏图和高墩支座结构形式1号墩墩底纤维单元截面破坏图示意。图8为固结形式1号墩截面弯矩曲率曲线图。

图5 固结形式1号墩截面破坏示意图

图6 固结形式5号墩截面破坏示意图

图7 支座形式1号墩截面破坏示意图

图8 固结形式1号墩截面弯矩曲率曲线图

由图5～图7可以看出，固结形式1号和5号墩墩底纤维单元保护层混凝土压碎，核心约束混凝土处于弹性状态，部分纵向钢筋屈服；支座形式1号墩墩底纤维单元保护层混凝土压碎，核心约束混凝土处于弹性状态，部分纵向钢筋屈服。表6及表7分别为固结结构与支座结构形式在大震下的墩底塑性铰区域的塑性转角表。

表6 固结结构形式大震下的墩底塑性铰区域的塑性转角表

表7 支座结构形式大震下的墩底塑性铰区域的塑性转角表

从表6和表7可知，两种结构形式在E2地震作用下墩柱的变形均满足抗震规范要求。HRB400钢筋和较大配箍率的采用，使约束核心混凝土强度提高达1.3倍，保证了墩柱混凝土的抗压强度和延性，在维持变形同时承载能力无显著的损伤。表8、表9为两种结构形式在大震下的墩顶位移表。

从图5～图7、表8、表9可知，由于高墩墩梁固结形式塑性发展较快，两个低墩都出现塑性，高墩墩梁固形式的墩顶位移大于高墩支座形式墩顶位移。

表8 固结结构形式大震下的墩顶位移表（单位：cm）

表9 支座结构形式大震下的墩顶位移表（单位：cm）

5 结论

（1）由动力分析可知，由于桥梁整体刚度较小，结构首先出现纵弯，随后出现扭转、侧弯。由于高墩固结后高墩抗推刚度变大，1号、5号低墩首先出现纵弯的现象，随后固结高墩才出现纵弯，与弹塑性时程分析结果1号、5号墩首先发生屈服相一致，墩梁固结后振型的改变加速了低墩的屈服。

（2）墩梁固结后，上部竖弯振型的参与使得墩柱轴力增大或减小，对于受压为主的墩柱都是不利因素，轴力减小使偏心距增大，轴力增大使抗弯承载能力下降越快，这在墩柱进入塑性后尤为明显。

（3）上王沟大桥桥墩在E1地震作用下，桥墩均在弹性范围内工作；在E2地震作用下，低墩墩底塑性铰区混凝土保护层会剥落，部分纵向钢筋屈服，其核心约束混凝土处于弹性状态，震后经过简单维修即可继续使用，高墩均处于弹性状态，满足抗震设防目标。

（4）上王沟大桥结构进入塑性后，由于板式橡胶支座的减隔震性能，使得高墩采用板式橡胶支座的结构形式抗震性能优于高墩采用墩梁固结的结构形式。

（5）墩梁固结后，可以避免了地震力作用下落梁的危险，但使桥梁整体刚度增大，墩柱塑性发展变快，两种结构形式的抗震性能孰优孰劣还需进一步的深入研究。

[1]JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[2]（美）陈惠发,（美）段炼 主编;蔡中民,武军，等译.桥梁工程抗震设计[M].北京:机械工业出版社,2008.