大跨连续刚构桥抗震分析与研究 向文凤 ， 程华才 （１．安徽省高速公路控股集团有限公司马鞍山长江公路大桥项目办公室，安徽马鞍山２４３０００￣２．安徽省高速公路试验检测科 研中心，安徽合肥２３Ｏ６０１） 摘要：文章以六潜高速公路河东特大桥为依托，采用Ａｎｓｙｓ和Ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ有限元分析程序，分别从结构模型的模态、加速度反应 谱以及弹性动力时程等方面，对大跨连续刚构的抗震进行计算分析，并为今后同类型桥梁设计提出指导性建议。 关键词：大跨；连续刚构桥；模态；弹性反应谱；动力时程 中图分类号：Ｕ４４１．３；Ｕ４４８．２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—５７８１（２０１１）０５—０６５５ ０３ １ 概 述 河东特大桥位于六潜高速公路１ｌ７ ｋｍ＋ ４９６ ｍ～１１８ ｋｍ＋５０２ ｍ处，全长１ ０１０ ｒｎ，由左右 两幅桥组成。其主桥为６跨（６６ ｍ＋４×１２０ ｍ＋ ６６ ｍ）预应力混凝土连续刚构，桥长６１２ ｍ，主梁采 图１结构有限元模型 用单箱单室截面。该桥址区位于大别造山带即大 表１桥梁结构材料特性参数 ｋＮ／ｍ。 别淮阳山腹背斜构造区，隶属华南地震区长江中、 下游地震亚区，区域内地震时有发生，但震级均小 于４级，有震无害。根据文献［１］，地震动峰值加速 度是０．０５ｇ，地震基本烈度为Ⅵ度。本文采用Ａｎｓｙｓ 和Ｍｉｄａｓ／ｃｉｖｉｌ有限元分析程序分别对结构模型的 模态、加速度反应谱以及弹性动力时程进行抗震分 （２）模态分析。采用［．ａｎｃｚｏｓ法对有限元模型 进行模态分析，求解前１Ｏ阶模态。动力特性计算结 析计算＿２Ｊ。 果见表２所列。 ２结构有限元建模及模态分析 表２结构前１Ｏ阶模态振型描述 （１）结构有限元建模。采用有限元程序Ｍｉｄａｓ／ ｃｉｖｉｌ对全桥建立三维空间有限元模型ｌ３］，如图１所 示，主桥墩编号由８＃～１４＃。全桥共用３３１个梁单 元，计算分析中忽略桩基的作用，采用墩底与地面 固结的形式，用弹性连接模拟连续梁以及边跨的支 座。主梁与连续刚构主墩采用Ｃ５５混凝土，连续梁 主墩采用Ｃ４０混凝土，承台采用Ｃ３０混凝土，主梁 底部按二次抛物线变化。二期恒载、护栏用节点质 量模拟。结构的材料特性见表１所列。 收稿日期：２０１１－０５—１０；修改日期：２０１１—０８—０３ 基金项目：安徽省交通运输厅科技进步计划资助项目（２００６０１６） 作者简介：向文凤（１９８３一），男，重庆垫江人，安徽省高速公路控股集团有限公司助理工程师； 程华才（１９７Ｏ一），男，安徽怀宁人，硕士，安徽省高速公路试验检测科研中心高级工程师 ｃｒ程与建设》２０１１年第２５卷第５期 ６５５ ３弹性反应谱分析 （１）内力及位移响应。采用ＳＲＳＳ对前ｌＯ阶模 态进行组合，分别按照顺桥向、横桥向进行激励。由 大震下结构的内力及位移响应数据可以看出，整个主 梁及桥墩在大震下处于弹性状态，能满足抗震设防标 准的要求ｌ１ Ｊ。 （２）桥墩潜在塑性区截面抗弯能力验算。地震 作用下连续刚构的潜在塑性区域均出现在墩底附近， 验算墩底截面抗弯能力并与该截面的内力（弯矩）响 应做对比，可判定出该截面是否进入塑性状态。 １０ ～ｌ２ 号墩底及墩顶的验算截面形式如图２所 示；１０ 墩体截面弯矩曲率图如图３所示。 ●一 ａｌ墩底骑箨戗州 ｆｂ）墩 ｌ骑鳟被 图２ ｌＯ＃～１２ 墩体验算截面 ¨ ｆ）００２ ０ ００４ ｎ００６ 李 － 曲率抽 ｔ）墩蛳桥川嫩腻巧 曲 红 （ｂ）墩横桥向墩拣≈豫曲率 图３ １０ 墩体截面弯矩曲率图 根据其双向抗弯能力值，当截面弯矩响应值与能 力接近时，结构在受到更大的地震作用会产生塑性破 坏，需要进行非线性时程分析，来判断结构的破坏程 度是否处于限定的程度之内（表３所列为１０ 墩底截 面状态判定情况）。经计算分析，整个桥墩的抗弯能 力大于大震下的弯矩响应，结构在大震作用下处于弹 性状态，满足抗震设防标准的要求［５］。 表３ １０ 墩底截面状态判定表 １０ ｋＮ・ｍ ４弹性动力时程分析 （１）内力及位移响应。弹性动力时程选用的分析 类型为线性，分析方法采用振型叠加法，时程类型选用 ６５６《工程与建设》２Ｏｌ１年第２５卷第５期 瞬态。阻尼的计算方法采用质量和刚度因子法。通过 在大震地震力激励下的弹性时程分析结果可知，结构 内力及位移均在规范允许范围内，处于弹性工作状态。 （２）大震下桥墩潜在塑性区截面抗弯能力验算。 在弹性时程分析下，桥墩墩底潜在塑性区域状态判定 见表４所列；时程分析所得墩体的响应弯矩和屈服弯 矩随墩高变化如图４所示；墩底顺桥向弯矩时程曲线 如图５所示。由计算分析可知，桥墩墩体截面在大震 作用下弯矩响应均小于结构的抗弯能力，处于弹性阶 段，满足抗震设防标准的要求ｌ６］。 表４ １０＃墩墩底截面状态判定 ｌＯ‘ｋＮ・ＦＤ． 方向 工况Ｍ Ｍ Ｍ 结果判定 ５００２１ 弹性 顺桥向 ５００２２ 弹性 ５００２３ 弹性 ５００２１ 弹性 横桥向 ５００２２ 弹性 ５００２３ 弹性 图４ １０＃墩沿墩高的响应弯矩和屈服弯矩 图５ １０ 墩墩底顺桥向弯矩时程曲线 ５结论与建议 （１）结论：通过大震下的弹性反应谱分析、弹性 时程分析以及桥墩截面抗弯能力验算，可以看出整个 桥墩在大震下处于弹性状态，能满足抗震设防标准的 要求Ｅ 。 （２）建议ｌ８］：①增加墩底截面面积以提高截面 抗弯能力，保证结构在多向激励下的延性性能。 ②上部结构可考虑采用轻质混凝土或波形钢腹板来 减轻结构自重、降低地震力；在地震激励下，主梁梁端 的双向位移较大，建议采用多向变位伸缩装置，以适 （下转第６５９页） 接柱转换的侧向刚度比变化幅度较梁式转换小，从而 搭接柱结构可以比较顺利地实现地震作用下框 在水平地震作用下，可以避免层间剪力突变，有利于 架柱内力平缓过渡，经过大震弹性复核，本工程采用 结构抗震。 搭接柱转换的外框架柱均满足设计要求。 转换层与下相邻层侧向刚度比，见表２所列。 表２转换层与下相邻层侧向刚度比（二） ４结 论 （１）结构采用搭接块转换虽然受力较大，但结构 的承载力及延性储备也较大，结构整体抗震性能优 越，较易实现大震不倒的设防目标。 （２）转换层的位置和转换层上、下等效侧向刚度 比是影响带转换层高层建筑抗震性能的主要因素。 （３）从小震不坏、大震不倒的抗震设防目标出 发，对于本工程采用搭接柱转换要比梁式转换在结构 Ｅ要合理。 （参考文献］ Ｅ１］张维斌．钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例ＥＭ］．北 京：中国建筑工业出版社，２００８． 从表２的时程分析计算结果可知，搭接柱转换与 ［２］方鄂华．高层建筑钢筋混凝土结构概念设计［Ｍ］．北京：机械工 梁式转换相比，梁式转换结构在转换所在层的位移及 业出版社，２００４． 地震力作用明显放大，且最大层间位移也响应增加， ［３］秦荣．高层与超高层建筑结构［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７． 应力集中现象明显。计算结果表明，两种模型的自振 ［４］唐兴荣．高层建筑转换层结构设计与施工［Ｍ］．北京：中国建筑 周期、总的地震力作用相差不大，但是由于转换大梁 工业出版社，２００２． ［５］李国胜．简明高层钢筋混凝土结构设计手册（第２版）［Ｍ］．北 上起柱，因转换梁巨大的刚度会引起地震力在上层柱 京：中国建筑工业出版社，２００３． 和下层柱内的内力集聚。相比搭接柱转换，在地震力 ［６］张重阳，袁海涛，范晓燕，等．某高层商住楼转换层结构方案的选 作用下这些柱的轴力、弯矩、剪力会增大２～３倍，且 择＿Ｊ］．工业建筑，２００５，３５（１２）：９７—１０１． 随着转换层高度的升高，再加上鞭梢效应的附加影 ［７］李国胜．多高层建筑转换结构设计要点与实例［Ｍ］．北京：中国 响，增幅较大，同时结构外围框架承担的倾覆弯矩超 建筑工业出版社，２０１０． 过５Ｏ％。经过软件模拟大震，复核梁式转换结构的 Ｅ８］ＪＧＪ ３—２Ｏ０２，高层建筑混凝土结构技术规程［Ｓ］． Ｅ９］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院． 外围框支柱，得出结论为在７度区延性不足，在８度 ＥＴＡＢＳ中文版使用指南［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版 区极限承载力不满足要求。 社，２００４． （上接第６５６页） ［３］孟宪建．结构抗震计算时程分析法的计算要点［Ｊ］．山西建筑， 应正常使用状态和大震激励下的主梁位移。③为防 ２００７（１６）：７１—７２． 止主桥与引桥发生碰撞导致引桥落梁，建议采用可限 ［４３马健中．高桥墩桥梁抗震分析方法［Ｊ］．公路交通科技，２００４ 制结构过大位移的限位装置或连梁装置，采用降低碰 （１２）：６９—７ｌ｜ ［５］林家浩，张亚辉，赵岩，等．大跨度结构抗震分析方法及近期进 撞力的缓冲装置，并加大主梁的搁置长度，对相邻孔 展［Ｊ］．力学进展，２００１（３）：３５０－－３６０． 引桥上部结构进行保护。④在施工图阶段应开展考 ［６］胡步毛，魏建东，戴胜勇．高墩大跨连续刚构桥地震反应分析 虑桩一土一结构效应、行波效应及辅助耗能减震装置作 ＿Ｊ］．四川建筑，２００８，２８（４）：１Ｏ２～１０４． 用的抗震性能研究，确保结构的抗震安全＿ｇ］。 ［７］梁岩．桥梁抗震设计措施的改进口］．北方交通，２００９（４）：７Ｏ一７１． ［８］ 范立础．大跨度桥梁抗震设计［Ｍ］．北京：人民交通出版 ［参考文献］ 社，２００１． ．［１］ＧＢ １８３０６－－２００１，中国地震动参数区划图Ｅｓ］． ［９］席张群．桥梁抗震分析方法对比研究［Ｊ］．中国水运，２００７（５）： ［２］周勇．桥梁抗震分析方法综述［Ｊ］．甘肃科技，２００６（４）：１７３—１７６． ９７—９８． 《工程与建设》２０１１年第２５卷第５期 ６５９
