竖向地震对大跨度连续刚构铁路桥地震响应的影响
基于IDA和纤维模型的高墩大跨连续刚构桥梁地震反应分析
典型 高墩大 跨连 续 刚构桥 进行地 震 易损性 分 析十
分重要 。文 献 ［ ］ ４ 运用 双 线 性恢 复 力 模 型模 拟 双 肢 薄壁 墩墩顶 、 底 塑 性 铰 截 面 的材 料 非 线 性关 墩 系， 研究 高墩 连续 刚构 桥 在 罕 遇 地震 作 用 下 的非 线性 受 力 特 性 和 塑 性 铰 截 面 的延 性 特 性 。 文 献 ［ ］ 提 出 了一种 适 合 于其 弹 塑 性地 震 响 应 的分 ５点
基 金 项 目 ：福 建 省 自然科 学 基 金 （０ ００ ２ ７ ２ １Ｊ １８ ）
・
２ ６・ ３
土 木
工
程
与
管
理
学
报
２ １ 年 ０１
深刻 了解结 构 抗 震 性 能 提 供 了有 效 手 段 。虽 然 ＩＡ的计算 量很 大 ， 是 目前 分 析 高墩 在 多 阶 Ｄ 却
２ ２ 钢筋本 构模 型 ．
目前 桥梁 的主跨 及 桥 墩 高 度 不 断 加 大 ， 高 不 断 墩 突 破原有 记 录 ， 高 墩 大 跨度 连 续 刚 构 桥 的 发 展 给
带来 了新 的机 遇 ， 同时 也 给桥 梁 抗 震 带 来 了很 多 难题 ， 高墩 的稳 定 性 以及 相 邻 低 墩 的延 性 要 求 对 也越来 越 高 。现 《 路桥 梁抗震 设 计 细则 》 ＪＧ 公 （Ｔ ／ Ｔ Ｂ ２０ －０ ８ 对 于墩 高 不 超过 ４ 的 规 则 桥 ０ －１ ０ ） ２ ０ｍ 梁 ， 以根据细 则 中 提供 的设 计 流 程 图进 行 抗 震 可
技术的提高， 计算速度 的大幅度加快 ， 该分析方法 逐步 地被接 受 和使 用 ， 国 Ｆ Ｍ Ｆｄｒ ｍｅ— 美 Ｅ Ａ（ ｅｅＭ Ｅ ｒ
高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应研究
高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应研究潘强;方诗圣;程晓东【摘要】运用大型结构分析程序Midas/civil在地震波作用下,对某一实际高墩大跨连续刚构桥的地震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟,分析了高墩大跨连续桥在顺桥向地震波作用下不同的相位差的行波效应,以及行波效应对桥梁高低墩墩差产生的影响.结果表明:行波效应对高墩大跨连续桥的影响很大,桥梁高低墩墩差越大行波效应越明显,高墩大跨连续桥在抗震设计时应考虑行波效应.【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2010(020)002【总页数】4页(P82-85)【关键词】高墩大跨连续桥梁;有限元法;动态时程分析;行波效应;地震反应【作者】潘强;方诗圣;程晓东【作者单位】合肥工业大学,土木与水利学院,合肥,230009;合肥工业大学,土木与水利学院,合肥,230009;安徽省高速公路试验检测科研中心,合肥,230601【正文语种】中文【中图分类】U442.5近年来,在我国西部高烈度地震区出现了很多高墩大跨结构桥梁,高墩大跨连续梁桥抗震设计是结构设计的重要部分,分析其地震反应是该类桥梁设计中重要的环节.许多大跨刚构桥跨径都在100 m以上,而典型的地震波波长为百余米至数百米.此时,就必须考虑不同地面节点之间的运动相位差,即行波效应问题.在实际工程的结构地震反应分析中,地震输入方法常用的是一致激励法,只考虑它们随时间的变化.这种假定仅对于小跨度桥梁来说适用[1,2].综合高墩大跨结构桥梁抗震研究甚少,大跨结构桥梁地震反应的研究比较普遍,例如,黄小国等[3]利用大型结构分析程序ANSYS/TRANSIENT,对地震波三向正交分量独立作用和联合作用下大跨连续刚构桥的地震反应的行波效应进行了时程分析的数值模拟,分析了大跨连续刚构桥在各向振动分量的作用,以及各向振动不同相位差的行波效应;李衷献等[4]基于行波激励下大跨度桥梁地震反应分析的方法,对某一大跨度的四跨预应力混凝土连续刚构桥进行了行波激励下地震反应的数值模拟.张亚辉等[5]分析了地震波视波速对体系极值响应的影响,并讨论了动态相对位移和拟静位移分量对体系极值响应的贡献.本文基于以上理论基础,分析了高墩大跨连续刚构桥地震反应的行波效应特性以及行波效应对桥梁高低墩墩差的影响.动态时程分析的振动方程为:如果以,Xs分别表示在地震激励下桥梁结构非支承节点的加速度、速度和绝对位移向量,Ms、Cs、Ks表示相应的质量、阻尼和刚度矩阵;,Xb,分别表示在地震激励下桥梁结构支承节点的加速度、速度和绝对位移向量,则式(1)可以表示为以下形式: 经过一系列公式转换得出:式(3)就是考虑多点激励和行波效应的桥梁结构的运动方程,[R]称为考虑行波和多点激励的地震动影响矩阵.当把影响矩阵[R]换为单位矩[I]的时候,式(3)就是不考虑多点激励和行波效应的桥梁结构的运动方程[6].某大桥位于大别山地带,大桥长480.37 m,设计为4墩两台共5跨变截面预应力混凝土连续刚构桥(56+114+140+114+50=474 m),2号、3号墩为双柱矩形薄壁空心墩,高度为82 m和78 m,属于高墩施工,1号、4号墩为单柱矩形薄壁空心墩高40 m,桥梁位于半径R=3200 m的圆曲线和直线段上.箱梁梁体均采用C50混凝土.箱梁截面设计为单箱单室,2号、3号主墩根部梁高8 m,1号、4号根部梁高为6 m,跨中和边跨现浇段梁高为3.0 m,箱梁顶板宽11.8 m,底板宽 6.5 m,翼缘板悬臂长2.65 m;箱梁底下缘按1.8次抛物线线形变化.箱梁横桥向顶板设2%的横坡,底板水平;该桥纵坡为2.2%.本桥连续刚构的计算模型按平面刚架体系计算,采用有限元分析方法.在计算模型中,主桥连续刚构共分为228个单元,其中预应力箱梁分为143个单元,全桥有限元模型如图1所示.本文中的时程分析采用过去典型的强震记录地震波.本文中的时程分析根据桥址处具体的场地条件,在己有的强震记录中选择了一条与桥址场地条件相符的地震波,即EI-Centro地震波,如图2,我们这里选择1940年EI-Centro Site南北方向地面加速度时程,其峰值加速度为341.7 cm/s2,持续时间53.72 s,我们选择的地震波需要满足:加速度时程曲线最大值为35 cm/s2,持续时间必须大于20 s,这时我们需要对该地震波的峰值进行调整,如下:分析和认识大跨度高墩梁桥的动力特性是进行地震反应分析和抗震设计的基础[7,8].该桥前10阶振型见表1.本文假设地震波自左向右顺桥向传播,从最左端1号墩依次向右传播至2号墩、3号墩、4号墩,计算地震波传播速度分别为200 m/s,400 m/s,600 m/s,1200 m/s,本文取桥主跨跨中断面进行内力时程分析,其时程分析曲线比较如图3所示.行波效应作用下的内力反应曲线与一致激励下的内力反应曲线对比存在明显的滞后现象.从上图中我们可以看出,波速在200 m/s时候,波速比较缓慢,滞后现象很明显.随着波速的加快,这种滞后现象明显好转,波速Va较大时,行波效应内力反应的波形与一致激励内力反应的波形比较相似,最终,当波速达到1200 m/s时候,行波效应内力反应的波形与一致激励内力反应的波形基本重合.本文以高墩大跨连续梁模型一为蓝本建立,其他条件不变,只是将3号、4号墩墩高改变,以桥主跨跨中截面内力为分析对象,分析两种模型一致激励与行波效应对桥梁的影响,如表2所示.为分析两种模型在行波效应后的影响,在同一波速中,我们用表示主跨跨中截面在任一时刻一致激励与行波效应△H的内力差,则内力差数据分析曲线如图4所示.当波速越小,高底墩墩差越大,一致激励与行波效应的滞后现象很明显,随着波速越来越大,滞后现象好转,综合来讲,对于高低墩墩差越大,一致激励与行波效应的滞后现象越明显.(1)行波效应对于高墩大跨连续刚构桥的影响很大,从以上模型分析得出,随着视波速的不同,截面的内力变化是不同的;(2)波速越小,行波效应与一致激励分析的结果差别很大,滞后现象很明显,但随着波速的增大,滞后现象将明显好转;(3)同一截面相同的视波速,行波效应对于高低墩墩差不同也会有很大的影响,波速越小,高底墩墩差越大,行波效应与一致激励滞后现象越明显,随着波速的增大,这种影响好转.所以对于高墩大跨桥梁的抗震分析时候,行波效应的影响是非常重要的.【相关文献】[1]何波,朱宏平,史雅楠.大跨径连续刚构桥抗震性能评价[J].公路,2007,(11):1-6.[2]刘洪兵.大跨桥梁考虑地形及多点激励的地震响应分析[J].同济大学学报,2003,31(6):641-646.[3]黄小国,胡大琳,张后举.行波效应对大跨度连续刚构桥地震反应的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2008,(1):72-76.[4]李忠献,史志利.行波激励下大跨度连续刚构桥的地震反应分析[J].地震工程与工程振动,2003,(2):68-76.[5]张亚辉,李丽媛,陈艳,等.大跨度结构地震行波效应研究[J].大连理工大学学报,2005,(4):480-486.[6]范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社,1997.[7]苏成,陈海斌.多点激励下大跨度桥梁的地震反应[J].华南理工大学学报(自然科学版),2008,(11):101-107.[8]王波,张海龙,徐丰.薄壁高墩大跨连续刚构桥地震时程反应参数研究[J].公路工程,2007,(4):28-32.。
桥梁设计中的地震响应分析与减震控制
桥梁设计中的地震响应分析与减震控制桥梁是人类社会固有的重要交通设施之一，自古以来就有着跨越河流、峡谷等特殊地理环境的需要。
然而，地震是一个不可预知、不可避免的自然灾害，其对桥梁的破坏是不可估量的。
因此，在桥梁的设计、建设和维护中，地震响应分析和减震控制显得尤为重要。
一、桥梁地震响应分析桥梁在地震中的响应主要表现为结构的变形、应力的分布、动态特性的变化等。
因此，为了准确评估桥梁在地震中的破坏情况，需要进行地震响应分析。
地震响应分析主要包括静力分析和动力分析两种方法。
静力分析是建立在弹性理论基础上的方法，它假设桥梁在地震作用下的响应具有线性的特性，且桥梁结构的变形是可逆的。
这种方法可以快速计算出桥梁在地震中的内力、位移等参数，然而它无法刻画桥梁在非线性时的响应情况。
动力分析则是基于桥梁结构的实际响应情况进行的，它可以准确评估桥梁在地震中的响应，包括结构的变形、应力的分布、动态特性的变化等。
目前常用的动力分析方法主要包括时程分析、反应谱分析等。
时程分析可以模拟不同地震强度下桥梁的响应情况，而反应谱分析则可以在给定地震作用下，计算出桥梁的动态特性并评估其响应情况。
二、桥梁减震控制技术为了减小桥梁在地震中受到的破坏，需要采用有效的减震控制技术。
目前常用的桥梁减震控制技术主要有被动控制和主动控制两种。
被动控制是指在桥梁结构中预制加装减震装置，利用减震器等器件来吸收地震能量并减小桥梁结构的振动响应。
被动控制技术具有结构简单、成本低等优点，但是其减震效果受到地震作用的影响较大，而且其减震器等器件在使用过程中容易发生疲劳或损坏。
主动控制是指利用主动控制装置来控制桥梁结构的振动响应，在地震发生后能够快速响应并调整结构的动态特性。
主动控制技术具有减震效果好、控制精度高等优点，但是其设计成本较高，控制系统也较为复杂，运行维护和管理难度较大。
此外，还有一种较为常用的混合控制技术，即被动控制与主动控制相结合的混合减震控制。
大跨度结构地震响应研究
大跨度结构地震响应研究摘要:根据结构体型复杂、跨度大、各层结构体系不同的特点,本文结合呼和浩特东客运站通过对站房大跨度结构进行多维多点地震动响应分析,归纳行波效应下结构相应的特点,总结了行波效应对于结构动力性能的影响,为结构设计提供指导。
关键词:大跨结构多维地震多点输入根据建筑功能设计的要求,一系列形式多样、跨度规模大、体型体系复杂的结构越来越多,呼和浩特东客运站主站房结构各层结构体系不同,楼面结构为预应力梁与普通RC楼板结构,而屋盖结构为拱形钢梁和双层球网壳等结构体系的组合;结构体系和材料的不同使结构的阻尼比也不同等,给传统结构设计提出了挑战。
大跨空间结构得到了越来越多应用的同时,对其动力性能也提出了更高的要求。
由于地震波速度一般为每秒几百米至几千米,同时震源也可能不止一个点,而大跨空间结构的跨度较大,各支座间的距离较远,这样就容易导致结构各支座点的地震响应并不一致,存在着空间和时间上的差异。
因此,研究考虑地震动空间变化特性对大跨空间结构的影响具有重要的理论意义和工程应用价值。
1 工程概况呼和浩特东客运站房选址于呼和浩特市主城区东侧京包线上,该站由主站房和站台雨蓬组成,站台雨蓬与主站房之间设伸缩缝兼抗震缝分开。
站房平面尺寸大约为183.500m×315.366m,主要的柱网尺寸有:15.588m×27m、31.177m×27m、62.354×27m(屋面)。
主站房主要分为三层:地面层为出站厅、出站广场及配套设施、设备用房;结构如图1所示。
站房屋面为由切割球形形成曲面和斜面组成,屋盖不设缝。
主要标高分别为20m、21.8m、25.1m、27.8m、31.4m、33.4m和44.9m。
屋盖结构为直径81m的球面钢结构屋盖,中心有一直径12m的开口,沿屋盖径向按圆心角7.5°的间距设置腹板开洞的拱形钢梁,钢梁的上下翼缘为箱形截面,腹板为钢板。
沿环向在拱形钢梁之间布置钢管支撑(与钢梁刚接连接)且每隔圆心角60°另设置斜向支撑。
铁路工程抗震设计规范
算地震作用的质量不
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同。
2. 横向和竖向的将荷
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载转换为质量的系数
不同。目前可手动给
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50%
7%
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两个方向输入不同质 量。
活载
离心力
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3. 没有活载参与的组
合地震作用的质量也
应不同。
列车荷载产生的土压力
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4.双线桥只考虑单线 活载。
注：
• 因为程序中列车荷载是按照影响线加载的，活荷载的位置不固定，所以活荷载的质量需要用户按某个不利情况手动 输入。
III
IV
一区
0.25
0.35
0.45
0.65
二区
0.30
0.40
0.55
0.75
三区
0.35
0.45
0.65
0.90
桥墩的抗震分析方法：
5. 反应谱法水平地震力
新规范： FijE=α•βj•γj•xij•mi 旧规范：FijE=ηc•Kh•βj•γj•xij•mi•g ，ηc一般为0.2~0.5，Kh在7、8、9度时分别为0.1、0.2、0.4
• 目前程序无法将同一个活荷载按不同的转换系数分别转换为X，Y，Z方向的质量，用户可以将自定义的活荷载定义 为多个荷载工况，转换时用不同的荷载工况转换为不同方向的质量。
• ‘铁路桥涵设计基本规范’4.1.1条中的桥涵荷载中的预加力、收缩和徐变、基础变位、列车竖向动力作用、横向 摇摆力、人行道荷载、所有附加力(包含风力、温度、制动力和牵引力、流水压力、冻胀力)、其它特殊荷载(如撞 击力)等不参与与地震作用的组合。
大跨刚构—连续梁桥的全寿命性能监测与分析
2、车辆荷载：车辆在桥梁上行驶时，会对结构产生一定的冲击效应，应考虑 车辆荷载对结构稳定性的影响。
3、风荷载：风荷载对高墩大跨径连续刚构弯桥的稳定性产生较大影响，需对 风载引起的倾翻力矩进行计算和分析。
结论
通过对高墩大跨径连续刚构弯桥的全过程稳定性进行分析，可以得出以下结论：
1、合理的材料选择和结构设计是保证高墩大跨径连续刚构弯桥稳定性的关键 因素。
2、墩身尺寸：墩身的设计应考虑桥梁的整体造型和稳定性，选用合理的截面 形状和尺寸。
3、支座布置：支座是保证桥梁稳定性的重要组成部分，需根据主梁和墩身的 布置，选择合适的支座形式和数量。
稳定性分析
针对高墩大跨径连续刚构弯桥的全过程，应进行以下稳定性分析：
1、施工阶段：在施工过程中，应考虑混凝土收缩、徐变以及预应力对结构稳 定性的影响。同时，对临时支撑体系进行稳定性分析，以避免施工过程中的安 全事故。
大跨刚构—连续梁桥的基本结构由上部结构的刚架和下部结构的连续梁组成。 刚架作为主要承重结构，具有较大的抗弯和抗剪能力；连续梁则具有较好的承 受压力和分布荷载的能力。这种组合结构可以满足大跨度、高荷载的要求，适 应现代交通发展的需要。
为了及时掌握大跨刚构—连续梁桥的性能状况，需要对以下关键性能指标进行 监测：
3、异常检测：通过比较监测数据与历史数据或预设阈值，及时发现异常情况。 当数据超过预设阈值时，发出警报提示，以便采取相应的处理措施。
4、模型拟合：利用数学模型对监测数据进行拟合，以了解结构的实际工作状 态。例如，可以采用有限元分析、神经网络等模型对数据进行拟合，以更准确 地评估结构的性能。
在实际案例中，可以结合具体桥梁工程进行全寿命性能监测与分析。例如，某 地一座大跨刚构—连续梁桥在经过多年的运营后，出现了明显的挠曲变形和应 力异常。通过安装传感器和数据采集系统，对该桥的挠度、应力和应变进行了 长期监测。
近断层地震脉冲效应对大跨度桥梁地震响应的影响
如表 ３所 示 ， 加 速 度 脉 冲 为 主 导 的 Ｒｎｌｉ 以 ｉａ ｄ
输入 引起 悬索 桥各 关键 部 位 的位 移 响 应 与 Ｅｃ ｎ ｏ ｌｅ ｔ ｒ 波 的结果 比较 接 近 ， 别 部 位 甚 至 还 小 ， 是 以 滑 个 但
冲效 应为 主导 的 Ｔｕ７ ｃ０６输 入却 激 起 了塔 梁 连接 处 ３～ ４倍 的位 移 响应 ； 与此 同 时 ， 向输 入 下 塔 顶 的 纵 位 移却 相差 不 大 ， 且 位 移 量 也 相 比较 小 ， 说 明 而 这 塔 本 身 的振 动 不是 引起 如 此 大 纵 向相 对 位 移 的 主 要 原 因 。另 外 ， 由表 ２可 见 ， 管 悬 索 桥 的一 阶 周 尽 期最 长 ， 到 ２ ， 达 １Ｓ但模 态 是 横桥 向 的 ， 第 二 阶 纵 而
长周 期结 构也许 并 不合适 。因此 ， 采用 Ｃ ＷＢ获得 加速 度 时程记 录 ， 通 过 积分 和 二次 积 分获 得 速度 和具 并 有 明显滑 冲效应 的位移 时程 ， １为 以上各 记录 的相关 信息 。 表
表 １ 所 用 地 震 波 信 息
因 Ｅｃｎ ｏＮ ｌ ￣ Ｓ记 录 的加 速度 峰值 在 ０ ３ ｅ ．ｇ左右 ， 因此 以上所有 记 录均按 加速 度峰 值调 整到 ０ ３ 图 １ ．ｇ， 为相应 的 ５ 阻尼 比 的加 速度 和位 移反 应谱 。考 虑 到 大跨 度 桥 梁 的周 期 很 长 ， ％ 因此 反 应谱 曲线 包含 了直
ｔ、 ｏｔ ｉｇ 、 ｏｅＬｍｉａｄＣ ｉｈ） 分 展示 了此 类地 震 异 于远 场 地 震 的 显 著脉 冲特 点 及其 对 土木 工 ａＮ ｒ ｒ ｅ Ｋ ｂ 、ｚ ｔ ｎ ｈＣ ｉ充 ｈｄ
程结 构 产生 的 灾难 性破 坏 ， 引起 了 国际地 震工 程 界 和土 木工 程 界对 该类 地 震 动本 身及 其 作用 下 结 构 的抗
铁路桥梁设计中的抗震设计原则
铁路桥梁设计中的抗震设计原则铁路桥梁作为铁路交通的重要组成部分，其在地震中的稳定性和安全性至关重要。
抗震设计是确保铁路桥梁在地震作用下能够保持结构完整、正常使用甚至在震后迅速恢复运营的关键环节。
以下将详细阐述铁路桥梁设计中的抗震设计原则。
一、场地选择与地质勘察合理选择桥梁建设场地是抗震设计的首要任务。
应尽量避开地震活动频繁、地质条件复杂的区域，如地震断层带、软弱土层、易液化土地区等。
在选址前，必须进行详尽的地质勘察，了解场地的地质构造、土层分布、地下水位等情况，为后续的设计提供准确的地质资料。
对于无法避开不利地质条件的场地，应采取相应的工程措施来改善地质条件，例如对软弱土层进行加固处理、设置隔震层等。
同时，要评估场地可能的地震动参数，包括地震烈度、峰值加速度、频谱特性等，为桥梁的抗震计算和设计提供依据。
二、结构体系与选型选择合适的结构体系和桥梁形式对于提高抗震性能具有重要意义。
常见的铁路桥梁结构形式有简支梁桥、连续梁桥、拱桥、斜拉桥等。
在抗震设计中，应优先选择整体性好、冗余度高的结构体系。
简支梁桥结构简单，受力明确，但在地震作用下相邻梁体之间容易发生碰撞，影响结构的安全性。
连续梁桥具有较好的整体性和变形能力，能够有效地分散地震力。
拱桥由于其拱肋的受压特性，在一定程度上具有较好的抗震性能，但要注意拱脚处的抗震设计。
斜拉桥的索塔和主梁通过斜拉索相连，形成了复杂的空间受力体系，在抗震设计中需要考虑索塔和主梁的协同工作以及拉索的振动特性。
此外，桥梁的跨度布置也会影响抗震性能。
过大的跨度可能导致结构在地震作用下的变形过大，过小的跨度则可能增加结构的数量和连接节点，增加地震破坏的风险。
因此，应根据实际情况合理确定桥梁的跨度。
三、强度与延性设计强度设计是保证桥梁在地震作用下不发生强度破坏的基本要求。
通过计算地震作用下结构的内力和应力，确定构件的尺寸和材料强度，确保结构具有足够的承载能力。
然而，仅仅依靠强度设计是不够的，还需要考虑结构的延性。
不同波速对刚构桥地震响应影响分析
利 用式 （ ５ ） 和式 （ ７ ） 可 以 求 得 和 后 ， 即 可 由式 （ ４ ） 求得 ｕ ， 进而可求得任 何感兴趣 的结构 内 力 。需要 注 意 的是 ， 若 考 虑行 波 效应 ， 式（ ７ ） 右 端各 支座 处 的地 震 地 面运 动加 速 度 向量 按 具 有 一 定 时 间差 （ 地 震 波 从 一个 支 座 传 递 到 另一 个 支 座 所需 时 间） 的同一条地震波加速度记 录进行取值。
由式 （ １ ） 的前 一组 方 程 可 以得 到 ： 、
玩＋ Ｇ 矗 ＋ Ｋ ／ Ｚ 一 慨６ 越 ｅ６ ｈ ６ 一 ６ ６ （ ２）
各节点 的位移 可分为相对动力项 ｄ和拟静力
响应分 析是应考 虑行波效应 的影 响。 结合 工程实 例 ， 建立 了空间有 限元仿真 模型 ， 并且对模 型进行 了全 桥结构 动力分析 ， 得
到 了该 桥基 本的动 力特性 参数 ， 并对 其进行 了不 同波速作 用下 行波效应 的分 析 ， 与一致 激励 下 的结 果进 行 了对 比， 分析 结
＋ “ 一 （ 尬 ＋ ） 如一 （ ｃ ＋ Ｃ ， ｂ ） ａ ｂ （ ６ ）
对 于通 常 的 工 程 结 构 ，阻 尼 对 上 式 右 端 项 的 贡献很小 ，可 以略去。这样就得到了求解 比 的 二 阶动 力 学方 程 ：
Ｍ￣ Ｕ ａ ｓ ＋ Ｇ ＋ Ｋ ＝ 一 （ 』 ｌ 尺 ＋ ６ ） ６ （ ７ ）
果将 为大跨 刚构 桥的地震设 计提供 参考 。
关键词 ： 大跨 刚构桥 ； 地 震输入 ； 时程分 析 ； 行波 效应 ； 地 震反应
中图分 类号 ： Ｕ ４ ４ ８ ． ５ ５ 文献标 识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ９ — ７ ７ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２ — ０ ０ ３ ７ — ０ ３
桥墩结构形式对大跨连续刚构桥抗震性能影响分析
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ６ — １ ３ ； 修 回 日期 ： ２ ０ １ ３ — ０ ８ — ２ ０
利用 Ｍｉ ｄ ａ ｓ ／ Ｃ ｉ ｖ ｉ ｌ 建 立 ３种 不 同 桥 墩 形 式 的 有 限
基 金项 目： 天 津 市 自然 基 金 重 点 项 目 （ １ ２ Ｊ Ｃ Ｚ Ｄ Ｊ Ｃ ２ ８ ９ ０ ０） ； 天 津 市 科 技 兴
墩， 但 究竟 哪种 桥墩 形 式桥 梁动 力特 性更 加合 理 ， 抗震
性 能更 好 ， 综合 性 能更 高 ， 目前研 究较 少 。本 文针 对 目 前 大跨 径 连续 刚构桥 中这 ３类 桥 墩形 式进 行 了 自振 特
性 及 地震 响应 的对 比分 析 ， 其 研 究 结 果 可 为桥 梁 初 步
铁
２ ４
道
建
筑
Ｒａ ｉ ｌ ｗａ ｙ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
文章 编号 ： １ ０ ０ ３ — １ ９ ９ ５ （ ２ ０ １ ４ ） ０ １ — ０ ０ ２ ４ — ０ ４
桥 墩 结 构 形 式 对 大 跨 连 续 刚构 桥 抗 震 性 能 影 响 分 析
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竖向地震对大跨度连续刚构铁路桥地震响应的影响牛会峰【摘要】以内蒙古在建的大准铁路增二线黄河连续刚构特大桥为研究对象,采用反应谱分析方法研究了其在水平地震单独作用下、《公路桥梁抗震设计细则》和《铁路工程抗震设计规范》中规定的不同竖向地震分别同水平地震组合下的地震响应。
结果表明：考虑竖向地震对连续刚构桥的地震响应非常明显;水平地震和《铁路桥梁抗震规范》中的竖向地震组合时结构地震响应较按《公路桥梁抗震设计细则》竖向地震组合时结构地震响应大,内力最大增幅为27%,位移为26%。
%With the Yellow River continuous rigid-frame bridge under construction of the Da-Zhun Second-line Railway in Inner Mongolia as the subject of our research,the seismic response of the continuous rigid-frame bridge and the effects of the single excitation of horizontal earthquake and combined excitation of horizontal earthquake and vertical earthquake are analyzed and studied by means of the response spectrum prescribed in 《Detailed Rules for the Anti-earthquake Design of Highway Bridges》and 《The Anti-earthquake Design Norm for Railway Projects》.The result shows that the effect of the vertical earthquake on the seismic response of the bridge is very obvious and the seismic response with the combined excitation of the horizontal earthquake and vertical earthquake prescribed in 《The Anti-earthquake Design Norm for Railway Projects》is greater than that with the horizontal earthquake prescribed in 《Detailed Rules for the Anti-earthquake Design of Highway Bridges》,with the internal forces maximally increasing 27%,and the displacement increasing 26%.【期刊名称】《国防交通工程与技术》【年(卷),期】2011(009)006【总页数】4页(P48-51)【关键词】连续刚构桥;反应谱分析;竖向地震;地震响应【作者】牛会峰【作者单位】中铁十八局集团第五工程有限公司,天津300451【正文语种】中文【中图分类】U448.23近年来各国学者对竖向地震力的研究日益重视，我国现行的《公路桥梁抗震设计细则》（J T G／T B 02—01—2008）和《铁路工程抗震设计规范》（G B 50111—2006）对竖向地震都做出了较明确的规定［1，2］。
本文以大准铁路增二线内蒙古黄河连续刚构特大桥主桥为对象，分别研究了《公路桥梁抗震设计细则》和《铁路工程抗震设计规范》规定下竖向地震取值的不同对桥梁地震响应的影响，其结果对同类桥梁的抗震设计具有一定的参考意义。
1 工程背景大准铁路增二线内蒙古黄河大桥位于内蒙古自治区清水河县境内的岔河口村，为大准增二线跨越黄河而设，大桥主跨结构形式为96m＋132m＋96 m大跨度预应力混凝土连续刚构，采用单箱单室截面箱梁结构，支点处梁高9．2m，跨中和边跨端部梁高5．0m，梁体下缘除中支点处12m、中跨中部10 m和边跨端部35．7m梁段为等高段外，其余按二次抛物线变化。
箱梁顶板宽8．1m，底板宽6．1m，除梁端附近区段外，其余区段顶板厚为0．5m，底板厚度从40c m按二次抛物线变化至90c m，腹板厚度从45c m按折线变化至90c m。
刚臂墩采用混凝土矩形空心墩，采用C 40混凝土，纵向宽度不变，横向采用变宽设计，外坡按20∶1变化，内坡按80∶1变化，1＃墩高49．7m，2＃墩高47．7m。
桥梁总体布置立面图见图1。
图1 桥梁总体布置立面图（单位：m）2 有限元建模由于地震发生位置的随机性，地震反应分析的计算需要建立比较精细的空间有限元分析模式，目前更多的是采用建立空间梁单元有限元模型，这样能够大大地提高计算效率。
为了真实地模拟结构的力学特性，建立的模型必须如实地反映结构构件的几何、材料特性，以及各构件的边界连接条件。
本文采用 M i d a s／c i v i l 2010软件建立模型，模型由154个节点、147个单元、66个截面组成，主梁和桥墩单元均为梁单元，主梁左右两端为双支座，两桥墩墩底固结，桥墩与主梁通过边界条件中的刚性连接固结，并考虑主梁梁高因素，将桥墩墩顶单元的节点与相对应主梁节点设置主从约束（固结），坐标采用全局坐标系（右手法则x、y、z轴垂直坐标系），计算模型见图2。
图2 全桥有限元计算模型3 输入地震反应谱和工况根据《中国地震动参数区划图》并结合《铁路工程抗震设计规范》，本桥处场地抗震设防烈度为Ⅶ度，水平向设计基本地震加速度峰值为0．15g，场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0．45s，阻尼比0．05，采用多遇地震作用下设计反应谱作为地震动输入，得到设计反应谱曲线如图3所示。
在计算分析中，选取了前150阶振型，采用C Q C法进行振型叠加［3］，地震动三个方向的振型参与质量之和为：纵向100%，横向99．91%，竖向99．61%，均在95%以上，具有较高的计算精度。
图3 反应谱函数曲线由文献［1］可知，当结构自振周期大于0．3s时竖向设计加速度反应谱是水平向设计加速度反应谱的0．5倍；由文献［2］可知，竖向地震作用可按水平地震基本加速度的65%进行动力计算。
通过其动力特性分析得知该桥自振周期为1．196s，大于0．3 s。
故本文建立了三种地震荷载工况，分别是：工况一，1．0纵向＋1．0横向；工况二，1．0纵向＋1．0横向＋0．5竖向（《公路桥梁抗震设计细则》规定下竖向地震取值）；工况三，1．0纵向＋1．0横向＋0．65竖向（《铁路工程抗震设计规范》规定下竖向地震取值）。
4 计算结果分析4．1 竖向地震作用下对内力的影响由于地形、地质等因素的影响使桥梁设计面临着对称与不对称结构设计的选择，其中刚构桥桥墩高度的不对称性对其地震响应有着较大影响［4，5］。
此桥1＃墩比2＃墩仅高2m，通过内力对比可知，在三种工况下，两个边跨跨中、悬臂端根部和桥墩处的内力值相差不到5%，其不对称性不明显；同时考虑竖向地震分量后，主梁和桥墩的横桥向剪力Fy、弯矩Mz、扭矩Mx都增大，但是变化幅度都较小。
故本文仅选取此刚构桥一侧，给出其各关键截面轴力Fx、剪力Fz、弯矩My的对比图，见图4。
（1）考虑竖向地震分量后，主梁和桥墩的轴力Fx都增大，在工况一变为工况三时，主梁跨中轴力增大4倍之多，主梁其它部位轴力增幅在42%以内；桥墩墩顶和墩底轴力增大3倍左右。
（2）考虑竖向地震分量后，主梁和桥墩剪力Fz增大，在工况一变为工况三时，主梁边跨跨中和悬臂根部增大2倍之多，而主跨跨中变化稳定；桥墩墩顶和墩底剪力Fz增大不超过12%。
（3）考虑竖向地震分量后，主梁截面弯矩My大幅度增加，在工况一变为工况三时，主梁边跨跨中弯矩My增大51%，悬臂端根部增大80%，主跨跨中弯矩增大14倍之多；而桥墩墩顶弯矩My仅增大9．5%左右，墩底增大5%。
（4）从内力对比可知，该连续刚构铁路桥在水平地震与《铁路桥梁抗震规范》中规定的竖向地震组合时的内力地震响应要比按《公路桥梁抗震设计细则》下的地震响应大，其中轴力Fx最大增幅为22%，剪力Fz最大增幅为15%，弯矩My最大增幅为27%。
4．2 竖向地震作用下对位移的影响表1给出了三种工况下该连续刚构铁路桥其关键截面位置处的纵桥向、横桥向和竖向位移。
（1）考虑竖向地震作用时，对连续刚构铁路桥主梁和桥墩墩顶横桥向位移几乎没什么变化，纵桥向位移有少许增大，但最大增幅不到5%。
（2）考虑竖向地震作用时，对桥梁各截面的竖向位移影响较大，在工况一变为工况三时，主梁主跨跨中竖向位移为不考虑竖向地震时的10倍，边跨跨中竖向位移增加47%以上。
（3）考虑竖向地震作用时，对于主梁两悬臂端部和桥墩墩顶竖向位移虽然增加了3倍，但其本身值相对较小，可不计竖向地震的影响。
（4）从位移对比可知，该连续刚构铁路桥在水平地震与《铁路桥梁抗震规范》中规定的竖向地震组合时的位移地震响应要比按《公路桥梁抗震设计细则》下的地震响应大，其中横桥向和顺桥向位移变化不明显，但竖向位移在主梁跨中位置增大较明显，增加了26%。
5 结论图4 连续刚构桥的内力响应表1 各关键截面位移 c m横桥向截面位置纵桥向竖向3 2．028左悬臂端根部2．143 2．174 2．183 1．589 1．589 1．589 0．008 0．019 0．023主跨跨中 1．937 1．938 1．938 3．445 3．446 3．446 0．078 0．623 0．786右悬臂端根部 2．145 2．176 2．185 1．462 1．462 1．462 0．007 0．019 0．022右边跨跨中 2．048 2．119 2．140 1．445 1．445 1．445 1．435 1．953 2．1081＃墩顶 1．814 1．834 1．839 1．178 1．178 1．178 0．008 0．019 0．0232＃墩顶 1．792 1．812 1．818 1．074 1．074 1．074 0．007 0．01工况一工况二工况三左边跨跨中 2．054 2．125 2．146 1．402 1．402 1．402 1．355 1．87工况一工况二工况三工况一工况二工况三9 0．022（1）竖向地震作用对该连续刚构铁路桥的地震响应影响较大：① 对内力的影响主要体现在主梁跨中、边跨跨中和悬臂根部剪力Fz的增大以及主梁各截面弯矩My 的大幅度增大，同时桥墩墩顶和墩底轴力Fx的增大引起其延性变化。