基于性能设计的刚构桥抗震性能分析

□庞 辉 冯光泽

一、引言

拱结构具有历史悠久，造型优美细腻、抗压能力强等特点，在桥梁、房屋建筑、隧道工程中得到了广泛的应用。拱桥的承载、跨越能力超于梁式桥，广泛应用在我国西南地区，同时在西南地区发生地震的可能性很小。因此，拱桥抗震的研究理念仍然停留在线弹性范围内。1995年，在日本发生神户地震后，学者们渐渐意识到了线弹性范围内对结构的抗震研究已不能满足抗震性能的要求了。因此学者们在震后灾害以及研究延性设计方法上，对日本桥梁抗震规范进行了修改，提出了水准一(在多遇地震的情况下)及水准二(在罕遇地震的情况下)。

在动力性能分析中，最权威和最严格的分析方法是动力时程分析法，虽然它具有耗时性，效率低等特点，但是依然被广大学者所青睐。

二、分析方法

结构地震反应分析方法主要分以下3 个阶段:分别是早期简化的静力法;随着科学的进步，发展了反应谱理论和Push-over 理论;最后采用动力时程分析法，而动力时程分析方法在抗震设计研究中得到了广泛应用。

时程分析法是给出某一时刻的地震加速度时程，则可以得到在该时刻的结构反应，算法明确并且精准;时程分析法被引入到大跨度桥梁的分析当中，时程分析法广泛应用在抗震性能的研究与设计中，其不但可以解决线性问题，还可以解决非线性问题。因此在复杂的大跨度桥梁计算地震反应中得到了研究者的青睐。

三、动力时程法的弹塑性研究

拱桥由钢纵梁、桥墩及拱肋、桥面板组成。拱桥总长是173m，拱矢高是16．87m，拱长是114m，拱桥的矢跨比为1:6．76。其中桥面板是钢筋混凝土结构，截面形式是矩形截面，它的宽度是8．2m，而其厚度为0．22m。钢纵梁的截面形式是工字形梁。桥墩采取的是箱形截面。拱肋是由箱型截面、横隔板、横向支撑以及对角支撑组成。

图1

(一)顺桥方向的激励。图1 表明了在顺桥方向的激励下，跨中位置纵梁的水平位移及1/4 处纵梁的竖向位移。从图中可以看出，在跨中位置的水平位移中，最大位移是0．1m，在1/4 跨处的竖向最大位移是0．4m，也就是说其余的无论是水平的还是竖向的位移在顺桥的激励下都非常小。图4 表明在顺桥方向的激励下，桥墩和拱肋的轴力情况，对于桥墩处的弯曲轴力是12，990KN，而拱肋处的弯曲轴力是33，730KN。

图2 轴力N/Ny

如图2 桥墩和拱肋在顺桥激励下的轴力情况，当受到地震影响时，桥墩和拱肋所达到的轴力值分别为0．2Ny、0．3Ny。也就是说，在顺桥方向的激励下，轴力的影响不是很大。整桥在顺桥激励下，应变超过屈服应变的位置。由此可以得出结论，在顺桥方向激励下，地震对顺桥方向的影响非常小。

图3

(二)横桥方向的激励。图3 显示了在横向激励下，跨中位置的横向位移以及竖向位移，从图中可以看到，其中横向位移最大值为0．5m，而竖向位移的最大值是0．15m，其余的位移都非常小。

图4 轴力N/Ny

图4 表示了桥墩和拱肋的轴力情况，桥墩在4s 时，接近达到Ny，而这种趋势一直持续到9s，而在拱肋中，4s 到10s 期间其轴力的情况均接近0．8Ny。-2．51(拱肋)体现了在横桥方向激励下，整桥超过屈服应变的位置。很显然在横桥方向的激励下，首先达到屈服的位置是拱脚附近处。

图5 桥墩桥墩

如图5 显示了在横桥激励下，桥墩处的平均应变与屈服应变的比值情况和横桥方向的应力应变情况。因此可以肯定，在横桥方向的激励下，地震对横桥方向的影响非常大。

四、结语

以非线性时程分法的分析结果作为理论依据，分别对钢拱桥的顺桥、横桥方向进行激励，总结如下:通过动力时程分析可知，横桥方向受到的地震影响大于顺桥方向的影响。

［1］日本道桥示方书，1996

［2］日本道桥示方书，2002