山区双柱式连续梁桥地震响应分析

王一1，蒋剑2

摘要：以西部山区某双柱式连续梁桥为研究对象，采用有限元软件建立相应的三维仿真模型。根据该桥的桥址、场地条件等选取合适的地震波，并考虑该连续梁桥分别在横桥向与顺桥向的地震作用下的响应分析。分析结果表明：该连续桥梁在横桥向和顺桥向施加给定的地震作用下，应力最大值均在支座腹板边缘处，且在设计允许范围内，为同类桥梁地震影响分析和设计提供参考。

关键词：双柱式，连续梁桥，地震响应

0引言

地震一直以来都是人们关注和研究的重要课题之一。由于地震能够对建筑、水利和桥梁等结构造成严重的破坏，因此，对于地震灾害风险的评估和防范已成为现代工程学科的重点研究之一。作为交通基础设施的重要组成部分，桥梁对于道路、铁路和河道等交通运输系统的连通性至关重要。然而，在强地震发生时，桥梁结构可能会遭受破坏或严重变形，从而影响整个交通运输系统的正常运作，引起重大的经济和社会影响。

因此，有必要对桥梁在地震中的受力和反应进行准确预测和评估，以确保桥梁的安全和可靠性。在过去的几十年中，许多关于桥梁地震反应的研究都得到了广泛的关注。其中，孙路【1】等对山区桥梁地震易损性和平均损失率进行了研究；张剑峰【2】等对钢-混凝土组合桥梁进行了地震响应分析。随着计算机技术的不断发展和有限元方法的发展，有限元分析作为一种先进的结构分析工具，已经被广泛应用于桥梁工程的设计和评估中。有限元分析方法可以通过建立具有现实尺寸和材料特性的三维模型，模拟桥梁地震反应过程中的不同受力情况，从而对桥梁的受力性能和破坏模式进行准确预测和评估。余小晴【3】等建立简支梁桥和连续梁桥2种桥型的有限元模型,采用增量动力分析方法,对比不同支座滑动摩擦系数对2种桥型在纵横桥向地震作用下地震响应的影响。

1工程概况

本文以西部山区某双柱式连续梁桥为研究背景，桥梁全长228.5m，采用一联（37.5m+4x40m+30m）预应力砼现浇箱梁；主梁采用等高度预应力混凝土箱梁，单箱双室截面。梁高2.1m。跨中顶板厚0.25m、底板厚0.22m，腹板厚0.5m，底板宽7.5m，悬臂1.5m。桥墩采用圆形墩，墩径1.8m。桥梁立面图如图1所示，桥墩横截面图如图2所示。

图1 桥梁立面图（cm）

图2 桥墩横截面图(cm）

2有限元模型建立

利用通用有限元软件建立三维有限元模型，整体建模采用三维实体均质类型，根据其工程概况，对桥墩底部x、y、z三个方向的位移进行约束，并在横桥向和顺桥向分别施加同一地震波。桥梁整体模型如图3所示，箱梁三维模型如图4所示。该模型中，箱梁采用C50混凝土，其他部件采用C30混凝土。

图3 连续梁桥模型图

图4 箱梁模型图

3有限元模型计算

3.1地震波选取

为了更为真实的模拟山区双柱式连续梁桥所受到的地震作用，地震波的选择应根据桥址所在地的地震特性进行选择，本文根据该桥梁的桥址、场地条件和该地的基本设防烈度等在PEER网站选取了 "San Fernando"地震波，测站为 "Lake Hughes #1"，地震峰值加速度为0.105g，该地震波的加速度时程曲线如图5所示。

图5. 地震波加速度时程曲线

3.2沿横桥向施加地震波

在桥墩底部沿着横桥向施加选择的地震波，进行软件模拟分析，得出整个桥梁在横桥向施加地震波的应力分布如图6所示，可以看出，在该地震作用下支座所受的影响最大，对盖梁、箱梁的影响较小。对于同一桥墩而言，桥墩底部所受地震的影响最大，其最大应力发生在5号桥墩支座处，最大应力值为2.67×10-3Mpa 。

图6. 横桥向施加地震波应力分布图

该桥梁支座采用支座采用盆式橡胶支座，截面形式为工字形，对最大应力所对应的支座进行分析，其应力云图如图7所示，可以看出，翼缘所受该地震的影响较小，腹板所受该地震的影响较大，最大应力发生在腹板左部边缘处。

图7. 5号桥墩支座应力云图

3.3沿顺桥向施加地震波

分析了横桥向施加地震波之后，在对该连续梁桥桥墩底部沿着顺桥向施加同一地震波，该地震波的峰值、反应谱和持续时间等特性与横桥向施加的地震波一致，分析在顺桥向施加地震波对该连续梁桥的响应，得出整个桥梁在纵桥向施加地震波的应力分布如图8所示。其最大应力发生在6号桥墩支座处，最大应力值为1.51×10-3Mpa。

图8. 竖向地震波应力分布图

对最大应力所对应的支座进行分析，其应力云图如图7所示，可以看出，应力分布情况大致与横桥向的地震波一致，翼缘所受该地震的影响较小，腹板所受该地震的影响较大；其不同之处在于，在该地震波的作用下，最大应力发生在腹板右侧边缘处。

图9.  6号桥墩支座应力云图

4 有限元计算分析

通过对西部山区某双柱式连续梁桥进行有限元模拟，在对本桥进行横向地震波的情况和施加竖向地震波的情况进行分析可以根据该桥的应力分布得出以下结论：

（1）不管是在横桥向还是顺桥向施加地震波，其最大应力值都出现在支座腹板边缘处，这说明地震发生时，支座处容易受到损伤。

（2）在桥梁横桥向和顺桥向施加地震波分析时，横桥向施加的地震波对桥梁的影响较大，故在桥梁抗震设计中，应更多对横桥向的地震波加以考虑。

（3）对于同一支座而言，在地震作用下，翼板所受影响较小，腹板所受影响较大，故在支座设计中，应更多都腹板部分进行考虑。

参考文献

[1]孙路,李廷辉.山区桥梁地震易损性及平均损失率分析[J].自然灾害学报,2022,31(05):104-110.

[2]张剑锋,安丽娜,唐志,张弢,李金平,周礼平.钢-混凝土组合桥梁地震响应分析[J].福建建筑,2023,(03):86-91.

[3]余小晴,吴刚,吴必涛.板式橡胶支座摩擦性能对中小跨径梁桥地震响应影响分析[J/OL].公路,2023(05):176-182

项目资助：中煤科工重庆设计研究院（集团）有限公司科技项目（编号：2022-04-46）