大跨度桥梁的抗震设计.docx

1、概述
大跨度桥梁与中等跨径相比，因结构的空间性与复杂性，地震反应比较复杂，高阶振型的影响比较明显。目前大跨度桥梁的抗震设计还没有一个统一标准，国内规范没有对大跨度桥梁进行详细规定，抗震计算比较复杂。本文主要介绍了京津城际某大跨预应力混凝土连续梁墩身、基础部分的抗震计算。根据≤铁路工程抗震设计规范（修订）≥，运用midas有限元程序，采用反应谱分析方法计算地震力，以便为抗震设计提供依据。
本桥桥面系为无碴桥面预应力混凝土连续箱梁，其横截面为单箱单室截面，选取桥跨（40+64+40）m的预应力混凝土连续梁作为计算模型。混凝土采用C50，梁底下缘按二次抛物线变化；采双线圆端型桥墩，3号墩为制动墩，边墩简支梁固定支座设在4号墩。
图1全桥模型

图2（a）边墩墩身尺寸图2（b）主墩墩身尺寸
2、动态反应分析
（一）有限元模型建立
结构分析的第一步就是建立模型，模型建立的正确与否，简化的模型是否能反映结构真实的受力情况，直接影响计算结果的正确性。本算例运用桥梁有限元计算软件Midascivil建立全桥动力模型，模型中主梁、桥墩、承台均采用空间梁单元进行模拟，梁墩之间采用刚性连接释放约束模拟，承台底采用一般弹性支承模拟，将地基及桩基础对结构的作用简化成纵横向转动弹簧施加在承台底，平动刚度以刚性考虑。
转动弹簧计算参数列表
表1转动弹簧计算参数（）
墩号转动刚度纵桥向横桥向1＃墩1.2E+082.27E+082＃墩3.44E+081.0E+093＃墩3.34E+089.11E+084＃墩1.2E+082.27E+08计算模型

图3计算模型
㈡抗震验算荷载的选取
连续梁全联质量和桥墩、承台质量通过定义结构自重向X、Y,Z方向转化。边跨简支梁质量，采用施加集中质量单元实现，纵桥向集中施加在4墩墩顶，质量大小为一跨简支梁的质量和二期恒载质量之和；横桥向施加在两边墩墩顶，质量取一跨简支梁的质量和二期恒载质量之和的一半。全梁二期恒载184KN/m。
活载取ZK列车活载进行验算，根据≤铁路工程抗震设计规范（修订）≥要求，对于Ⅰ、Ⅱ级铁路，应分别按有车、无车进行计算，当桥上有车时，顺桥向不计活载引起的地震力，横桥向只计50%活荷载引起的地震力，作用点在轨顶以上2m处。需要分别对桥梁顺桥向及横桥向进行单独验算。
验算荷载列表
表2验算荷载（KN）
墩号墩顶支座反力连续梁恒载连续梁活载简支梁恒载简支梁活载1＃墩66163435725429352＃墩352595953＃墩352595954＃墩6616343572542935㈢自震特征值分析
图3建立的动力模型，由该模型计算得到桥梁的前100阶振型的频率和周期，同时给出了前10阶振型。由表3可以看出，桥梁基本频率为2.09Hz、基本周期为0.48s。基本振型为顺桥向振动，前几阶振型均为顺桥向和横桥向的整体振动。
表3大桥前10阶自振频率及其振型描述
振型自振频率(Hz)自振周期(s)振型描述第一振型2.090.48全桥纵向振动，3号墩纵向弯曲振动第二振型2.290.44梁体竖向对称振动，桥墩纵向弯曲振动第三振型2.670.374号边墩纵向弯曲振动第四振型2.900.34梁体横向振动，桥墩横向弯曲振动第五振型3.380.30梁体横向振动，桥墩横向弯曲振动第六振型4.100.24梁体横向振动，桥墩横向弯曲振动第七振型4.170.24梁体竖向反对称振动第八振型5.360.19梁体竖向对称振动第九振型5.780.17梁体横向振动，桥墩横向弯曲振动第十振型7.920.13梁体横向振动，桥墩横向弯曲振动
图4（a）第1阶振型图4（b）第2阶振型

图4（c）第3阶振型图4（d）第4阶振型

图4（e）第5阶振型图4（f）第6阶振型

图4（g）第7阶振型图4（h）第8阶振型

图4（i）第9阶振型图4（j）第10阶振型
㈣地震荷载计算
伴随着抗震理论的发展，各种抗震分析方法也不断出现在研究和设计领域。在结构设计中，我们需要确定用来进行内力组合及截面设计的地震作用值。通常采用底部剪力法，振型分解反应谱法，弹性时程分析方法来计算该地震作用值，这三种方法都是弹性分析方法。其中，底部剪力法最简便，适用于质量、刚度沿高度分布较均匀的结构。它的大致思路是通过估计结构的第一振型周期来确定地震影响系数，再结合结构的重力荷载来确定总的水平地震作用，然后按一定方式分配至各层进行结构设计。对较复杂的结构体系则宜采用振型分解反应谱法进行抗震计算，是根据振型叠加原理，将多自由度体系化为一系列单自由度体系的叠加，将各种振型对应的地震作用、作用效应以一定方式叠加起来得到结构总的地震作用、作用效应。而对于特别不规则和特别重要的结构，常常需要进行弹性时程分析，该方法为直接动力分析方法。本桥采用振型分解反应谱法。
⑴地震动反应谱分析
根据震规，桥梁结构