张鹏
天津市政工程设计研究总院有限公司, 天津市 300392
摘要:依托某主跨为300m的拱桥为工程背景，首先，建立桥梁空间弹性动力计算模型对结构的动力特性进行了分析。其次，通过线性反应谱法结构地震反应分析，研究了结构在E1和E2两种设防水准地震作用下的地震响应。然后，为了综合控制固定墩的受力，采用非线性时程分析方法计算采用摆式支座后结构的地震响应。最后，对结构在两种概率水平下的抗震性能进行验算，并对桥梁的抗震性能完成了安全性评价。
关键词：高震区；反应谱分析；减隔震支座；抗震性能
0 引言
跨海桥梁作为连接各岛屿或陆地的重要通道，对沿海区域交通系统的正常运行具有关键性作用。其一旦在地震中遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失将会非常巨大。因此，进行正确的抗震分析，对确保大桥抗震安全性具有非常重要的意义。
对于桥梁抗震与间隔震技术方面的问题，众多专家学者做出了研究与探讨。苏朋飞等[1]根据对钢桁架拱桥近断层地震响应的分析结果，采取了“摩擦摆支座+纵向阻尼器”减隔震措施，满足了抗震设防要求。余浩[2]针对一大跨度系杆拱进行了动力特性分析，识别出结构的易损部位，并采用黏滞阻尼器或摩擦摆支座方案均可取得显著的减隔震效果。目前针对高震区海上大型拱桥的抗震及减隔震技术的研究内容较少，此类问题有待于进一步的研究和探索。
1工程概况
本文所依托桥梁为三跨拱桥，钢拱钢梁，主跨为300m，两边跨为140m，桥梁总长为580m。主桥主墩采用Φ1.8 m钻孔桩群桩基础，边墩采用Φ1.5 m钻孔桩群桩基础。项目位于海口市，属于8度区；地震动峰值加速度0.32g；根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）：桥梁抗震设防类别：乙类；桥梁抗震设防措施等级9度。
2 桥梁抗震设防标准与计算模型
2.1抗震设防标准、性能目标
该桥的抗震性能目标和具体抗震设防标准[3]见表1。
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2.2线性动力模型
该桥的钢梁、主拱、桥墩和吊杆均采用梁单元模拟，并考虑了P-△效应；承台近似按刚体模拟；通过在承台底施加六自由度的弹簧以模拟桩基作用，并采用m法反推单桩最不利受力。
3 反应谱分析
3.1 E1地震作用下结构反应谱分析结果
3.1.1 纵+竖桥向地震输入
采用反应谱方法计算出右侧梁端出现最大位移为0.0982m；P27处支座剪力出现峰值为20252.7kN，各支座位移变化范围为0.0961~0.1104m；各桥墩墩底截面剪力与弯矩范围分别为29127.6~97542.9kN和339652.9~
1301914.9kN?m；主拱与钢桁梁的最大应力位置为右边拱拱脚，压应力值为292MPa。
3.1.2 横+竖桥向地震输入
与“纵+竖”地震输入的结果相比，拱梁端最大位移较小，仅为0.014m；支座剪力峰值与各桥墩墩底截面受力情况相近；主拱与钢桁梁的最大应力位置为左边拱拱脚，压应力值为284MPa。
3.2 E2地震作用下结构反应谱分析结果
3.2.1 纵+竖桥向地震输入
与E1地震作用结果相比较，右侧梁端位移极值增大至0.2626m；支座剪力峰值增至47489.6kN，各支座位移变化范围为0.27~0.28m；各桥墩墩底截面受力更为不利。
3.2.2 横+竖桥向地震输入
左侧梁端出现最大位移为0.029m；P26处支座剪力出现峰值为48595.7kN；各桥墩墩底截面剪力与弯矩最大值分别为107341.5kN和2571326.0kN?m。
4 采用减隔震支座后桥梁非线性时程分析
对该桥采用双曲面球型减隔震支座进行减隔震设计，并利用非线性时程分析法对E1和E2地震作用下结构的受力与位移进行计算。
4.1 E1地震作用下结构时程分析结果
4.1.1 纵+竖桥向地震输入
左侧梁端出现最大位移为0.0574m；各支座位移均值约为0.06m；墩底截面剪力与弯矩最大值分别为67592.3kN和853533.7kN?m；主拱与钢桁梁的最大应力位置为右边拱拱脚，压应力值为226MPa。
4.1.2 横+竖桥向地震输入
右侧梁端出现最大位移为0.0818m；支座位移极值为9.15cm；各桥墩墩底截面受力情况与4.1.1节结果相近；主拱最大应力位置仍为右边拱拱脚，压应力值为250MPa。
4.2 E2地震作用下结构时程分析结果
4.2.1 纵+竖桥向地震输入
与E1地震作用结果相比，右侧梁端位移增大为0.2479m；支座位移均值增加约0.2m；各桥墩墩底截面剪力与弯矩增加了约1倍；右边拱拱脚出现最大压应力值为316MPa。
4.2.2 横+竖桥向地震输入
左侧梁端出现最大位移为0.2254m；各支座位移最大值为0.2646m；各桥墩墩底截面剪力与弯矩极值分别为107341.5kN和2571326.0kN?m；主拱副拱吊杆处出现应力峰值为447.9MPa。
5 抗震性能验算
5.1 E1地震作用下抗震验算
在“纵+竖”E1地震作用下，各桥墩墩最大地震弯矩为3268kN?m，抗震能力需求比均小于9。主拱最大压应力值为226MPa，能力需求比最小为5.1。
在“横+竖”E1地震作用下，各桥墩墩底与桩基截面最不利轴力为228024.1kN，抗震能力需求比均大于1.75。主拱最大应力值为324.5MPa，能力需求比最大为10.91。
5.2 E2地震作用下抗震验算
在“纵+竖”E2地震作用下，各桥墩与桩基最大地震弯矩为1854345.3kN?m，抗震能力需求比均小于15。主拱最大应力出现在右边拱拱脚处，能力需求比最小为1.25。
在“横+竖”E2地震作用下，各桥墩最不利轴力为183312.6kN，抗震能力需求比均大于6。主拱最大应力439.7MPa出现在副拱吊杆处，能力需求比最小为0.9。桩基抗震能力需求比均大于5。
6 结语
通过对该拱桥的抗震分析与研究，得到的主要结论如下：
（1）E1地震作用下，主桥所有桥墩截面及桩基础最不利单桩截面地震弯矩小于其初始屈服弯矩，截面保持为弹性工作状态，满足预期性能目标要求；主拱等钢结构关键截面也均能满足强度要求。
（2）E2地震作用下，主桥所有桥墩及桩基础均可满足抗震性能目标。主拱等钢结构部分关键截面无法满足强度要求，需要进行加强。
参考文献
[1] 苏朋飞、刘晓光、郭辉、赵体波. 川藏铁路大跨度钢桁拱桥近断层地震响应与减隔震措施[J]. 铁道建筑, 2020, 60(8): 6-10.
[2] 余浩. 大跨度简支系杆拱桥抗震性能及减隔震方案研究[J]. 城市道桥与防洪，2020，8（8）：280-286.
[3] CJJ166-2011 城市桥梁抗震设计规范[s].