大跨度上承式鋼管混凝土拱橋地震損傷分析
楊非凡 廖晶 王佔飛
瀋陽建築大學交通工程學院 中交綜合規劃設計院有限公司
摘 要：
為評估分析大跨度鋼管混凝土拱橋在地震作用下的損傷情況，進而評估其抗震效能，以一座高墩大跨度上承式鋼管混凝土拱橋為例，根據設計圖紙以及相關引數資料，透過Midas/Civil軟體建立橋樑模型，採用非線性時程法對該橋在多維地震作用下進行了地震損傷模擬分析，對比研究不同型別構件在地震作用下的損傷程度。研究結果表明：該鋼管混凝土拱橋整體抗震效能較好，在3種類型構件中，鋼管構件損傷程度普遍較輕，鋼管混凝土構件損傷位置較多，但也普遍較輕，鋼筋混凝土構件損傷最為嚴重。
關鍵詞：
鋼管混凝土拱橋；損傷分析；抗震效能；非線性時程法；
0 引言
近年來，鋼管混凝土拱橋以其結構形式多樣、造型優美流暢、跨越能力強等優勢，在我國得到了快速發展和廣泛應用。雖然在理論上，鋼管混凝土拱橋的整體抗震效能較好，但根據多次震害後統計結果，大跨度鋼管混凝土拱橋中仍有區域性構件產生損傷。尤其是在高墩拱橋中，橋墩結構抵抗、消耗地震力的能力顯得至關重要，其決定了橋樑整體抗震能力。因此，分析高墩鋼拱橋在地震作用下的抗震效能是十分必要的。國內外一些學者對此進行了相關研究：USAMI等［1］詳細論述了鋼橋基於效能的抗震設計方法，對比研究基於位移和基於應變兩種損傷評估方法，發現位移法反應橋樑整體的結構損傷較為直觀，但存在一定的侷限性，而應變法雖然只能應用於評估構件層面的損傷，但是通用性較好；PARK等［2］建立了鋼筋混凝土構件的地震損傷模型；謝開仲等［3］基於內力和能量的雙重破壞準則確定鋼管混凝土拱橋各部分杆件的破壞指數，建立整橋的破壞評估模型。
綜合以往研究發現：國內外對於鋼管混凝土拱橋的整體抗震效能評估方法已經較為完備，但是對於不同構件在地震作用下的損傷情況對比分析較少。因此，以一座帶有高墩的上承式鋼管混凝土拱橋為例，採用非線性時程法對其抗震效能進行量化分析，並對比不同型別構件在不同強度地震作用下的損傷情況。
1 計算模型
1。1 工程概況
以一座上承式鋼管混凝土拱橋為研究背景。根據設計資料，該拱橋主拱的計算跨徑為475m，計算矢高90m，矢跨比為1/5。278，設計荷載為公路-I級。主拱圈採用等寬度變高度空間桁架結構，由鋼管混凝土與鋼管組成，斷面高度從拱頂7。0m變化到拱腳10。0m。單片拱肋寬度2。5m，橫橋向兩片拱肋間的中心距離拱腳、拱頂處均為16。0m。拱肋間設定橫聯和斜撐。主拱圈弦管採用Q420ND和Q355ND鋼材，拱圈腹杆、平聯及拱上立柱、鋼帽梁等均採用Q355ND鋼材，鋼管混凝土拱橋主拱圈內灌注C60自密實微膨脹混凝土；上部主樑預製橋面板採用C55自密實微膨脹混凝土；拱座採用C30混凝土；過渡墩蓋梁、墩身採用C40混凝土。上承式鋼筋混凝土拱橋總體構造圖如圖1所示。
1。2 有限元模型的建立
採用Midas/civil大型綜合有限元軟體對全橋模型進行建立，如圖2所示。在有限元分析模型中，全橋共劃分為3038個單元、1861個節點。全橋構件均採用梁單元模擬，其中，主拱圈截面採用鋼管-混凝土組合截面，拱圈支撐單元採用矩形及工字型截面，立柱單元採用帶肋箱型截面，主樑單元採用鋼箱梁上鋪混凝土組合截面；主拱圈與立柱剛性連線，主樑與立柱剛性連線，主拱圈拱腳處和交界墩底固結，不考慮結構與地基相互作用。結構材料引數如表1所示。
圖1 總體構造圖(單位:mm) 下載原圖
圖2 全橋模型圖 下載原圖
表1 結構材料引數表 下載原圖
1。3 自振特性分析
自振特性分析在橋樑抗震分析中是最基礎的步驟，對於成橋狀態下結構的動力特性分析，此處採用Rizz向量法求解結構的特徵值，前十階自振結果如表2所示。
表2 自振週期和振型 下載原圖
2 地震動選取與輸入
2。1 抗震設防水平與效能目標
根據該橋工程地質初勘報告和設計要求知，該橋單跨跨徑超過150m，抗震設防類別為A類，地震設防烈度為Ⅵ度（0。05g），場地類別屬於I類。為研究該橋在不同抗震設防水準條件下的地震響應特性，此處採用非線性時程法對其進行深入分析。根據我國現行橋樑抗震設計規範［4］中的相關規定，該橋為A類橋樑，因此對其抗震設計應採用E1和E2兩水平地震設防。
2。2 地震波選取
綜合考慮不同場地條件、頻譜特性和幅值的影響，從太平洋地震研究中心選取了3條地震波，加速度時程和反應譜曲線見圖3。考慮到E1、E2地震作用強度，根據抗震強度需求對每條地震動進行調幅，使其峰值加速度PGA由0。1g變動到0。3g（g為重力加速度）。同時在橫橋向和豎橋向施加地震力。
圖3 地震波時程曲線 下載原圖
3 損傷指標
為了量化拱橋抗震效能指標，分別從構件層面和全橋層面對拱橋進行地震損傷評估。在地震損傷評估中，根據《公路橋樑抗震細則》［4］規定和文獻［5］中的建議，一般將結構損傷狀態分為5個等級，具體如表3所示。在損傷等級劃分時，構件指標的選取通常對結果影響較大。結合諸多橋樑抗震研究和文獻［6］中危險截面與工程中重點關注的位置，以及試算分析結果，選取了選擇1/4拱肋、3/8拱肋、拱頂、跨中主樑、拱腳（方鋼管混凝土）、交界墩（鋼筋混凝土）作為控制構件，根據各構件在橋樑結構中的重要性係數以及損傷後對整橋安全性和使用性的影響來確定橋樑各構件權重係數，進而對整橋進行地震損傷評估。控制構件具體位置如圖4所示。
表3 橋樑結構不同破壞程度的破壞指數範圍 下載原圖
圖4 控制構件示意圖 下載原圖
參考既有研究和該橋主要構件的受力特點，參考Park-Ang［2］雙引數指標和謝開仲教授［3］的雙重破壞準則，拱橋中各構件破壞指數計算公式如下：
交界墩
拱肋
立柱
式中：Dm，Ixg，Idg分別為交界墩、拱肋和立柱的破壞指數；δm和δu分別為地震作用下構件的最大位移和極限位移；λm和λu分別為地震作用下拱肋截面最大壓彎係數和拱肋極限壓彎係數；εm和εu分別為地震作用下構件產生的最大應變和極限應變；α為構件極限狀態下對應的曲率；Eh為地震作用下截面積累的能量；Nu為構件的極限軸力；Mu為構件的極限彎矩；l為構件的長度；β為係數，根據文獻［7］的建議，分別取0。05、0。139和0。139。
4 全橋抗震分析結果
4。1 鋼管構件地震損傷分析
在眾多鋼管構件中選取損傷最大的立柱7進行討論，橋樑樣本中立柱只能承受軸向力，因此，立柱的破壞模式為受壓破壞；在分析時，取最大應變、極限應變以及極限軸力作為評估損傷狀態的指標，透過計算公式（3）進行計算，損傷分析結果見表4。由表4可知：在橫向地震波作用下，構件一直處於彈性狀態；整體來看，鋼管構件損傷較為輕微，幾乎都處於基本完好狀態，本橋樑模型立柱構件安全儲備比較充足。
表4 鋼管構件損傷狀態 下載原圖
4。2 鋼管混凝土構件地震損傷分析
在鋼管混凝土構件中選取拱圈中點的拱肋上弦杆進行討論，透過計算公式（2）進行計算，其結果如表5所示，在峰值強度為0。2時，鋼管混凝土結構出現輕微破壞，在峰值強度為0。3時，鋼管混凝土結構出現中等破壞。總體損傷較輕，可以正常工作。
表5 鋼管混凝土結構損傷狀態 下載原圖
4。3 鋼筋混凝土構件損傷分析
在鋼筋混凝土構件中選取交界墩底進行討論，透過計算公式（1）進行計算，其結果如表6。由表6可知，鋼筋混凝土構件損傷較為嚴重，同時，根據內力變形圖，與鋼管構件的損傷不同，由於鋼筋混凝土構件（過渡墩）與主樑未設定縱向約束，會發生相對於主樑的獨立變形。鋼筋混凝土構件在三種構件中損傷最為嚴重，在三種地震波作用下都會發生損傷，最嚴重時會進入倒塌狀態。
表6 鋼筋混凝土結構損傷狀態 下載原圖
5 結論
採用Midas/civil軟體建立一座高墩大跨度上承式鋼管混凝土拱橋模型，基於非線性時程分析，模擬了橋樑在地震作用下的損傷演化過程，主要結論如下：
（1）上承式鋼管混凝土拱橋在峰值加速度為0。1g到0。3g的地震動作用下，各類構件的損傷程度均與加速度峰值成正比。結合試算分析，對比不同載入工況，雙向地震作用下構件損傷程度最大。
（2）地震作用下，拱橋全橋抗震效能較好，但仍有部分構件發生不同程度的損傷。其中鋼管構件主要為立柱、拱肋橫撐、拱肋橫聯，損傷數量較少、損傷程度輕；主拱圈上下弦杆由鋼管混凝土構件組成，鋼管混凝土構件損傷發生早，損傷數量多，但損傷程度較輕，基本可以正常工作，其中最易損部位在拱腳；鋼筋混凝土構件主要研究物件為交界墩，其損傷最為嚴重，0。3g強度下發生嚴重損傷甚至會進入倒塌狀態，抗震設計時應重點對其進行最佳化。
參考文獻
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