中低設(shè)防烈度地區(qū)全無縫橋梁抗震性能分析

馬永春　邵旭東　余加勇

摘要：為了準確地模擬接線路面特性，對其荷載變形和損傷進行了分析，提出了接線路面板集中彈簧簡化模型.基于此，采用SAP2000建立了某座全無縫橋梁動力計算模型.對該橋進行了模態(tài)分析和地震時程分析，并與對應(yīng)連續(xù)梁橋進行了對比分析；同時還進行了橋長和接線路面剛度敏感性分析.研究結(jié)果表明：中低設(shè)防烈度地區(qū)，全無縫橋梁的地震響應(yīng)只有連續(xù)梁橋的24%～35%，主橋處于彈性無損狀態(tài).可見，全無縫橋梁能大幅提升中低烈度地區(qū)公路中小橋梁的抗震性能.

關(guān)鍵詞：地震響應(yīng)；半整體式全無縫橋梁；接線路面；地震設(shè)防烈度；時程分析

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A

為了掌握這一新型半整體式橋梁的振動和地震響應(yīng)特點，本文以一座已建半整體式全無縫橋為工程背景，提出接線路面板拉伸荷載變形簡化力學(xué)模型，建立全無縫橋梁彈性動力有限元模型；對全無縫橋梁及相應(yīng)連續(xù)梁橋進行了自振特性和地震響應(yīng)的對比分析，同時還進行了抗震性能參數(shù)敏感性分析，并對應(yīng)用于中低設(shè)防烈度地區(qū)（6，7度）的全無縫橋梁的抗震性能進行了評估.

質(zhì)量的形式集中到搭板末端；板式橡膠支座采用三向剛度彈性連接單元模擬；樁土相互作用采用節(jié)點彈性單元模擬；樁基底部固結(jié).采用集中質(zhì)量法考慮質(zhì)量矩陣.時程分析時，模型采用瑞利阻尼.為了比較連續(xù)梁橋改進為全無縫梁橋后動力性能的變化，本文還建立了該橋?qū)?yīng)的連續(xù)梁橋模型.

2.3分析結(jié)果

基于上述有限元計算模型，采用子空間迭代法，計算了該全無縫橋和其對應(yīng)連續(xù)梁橋前50階振型.取前10階頻率和振型特征示于表2.由結(jié)果可知：全無縫橋梁和連續(xù)梁橋的振型和頻率非常類似.振型方面：第一振型都是縱橋向漂移，而且其它各階振型及出現(xiàn)順序基本一致.頻率方面：除了第一階固有頻率相差很大外（全無縫橋型/連續(xù)梁橋型=2.2倍），其它各階頻率基本一致.可見，全無縫橋梁的接線路面對主梁縱向振動影響很大，對豎向振動基本無影響.

全無縫橋梁和連續(xù)梁橋第一階振型參與質(zhì)量都很高：分別為91.42%和88.95%.可見全無縫橋梁縱橋向振動也是以第一階縱漂振動為主.

全無縫橋梁橋墩的最大彎矩及對應(yīng)剪力響應(yīng)都為連續(xù)梁橋的35%，且都遠小于彈性抗力極限值；而連續(xù)梁橋在大震作用下，橋墩最大彎矩達到2 709 kN·m>橋墩的初始屈服彎矩2 633 kN·m.可見，全無縫橋梁能有效地降低縱橋向橋墩的損壞，即使在7度地區(qū)大震作用下橋墩依然處于彈性狀態(tài)，而連續(xù)梁橋的橋墩則會出現(xiàn)較為嚴重的開裂.

由于全無縫橋梁的搭板與主梁結(jié)構(gòu)連續(xù)，在地震和溫度等荷載作用下都會引起邊跨主梁一定的附加彎矩.本文地震引起的全無縫橋梁邊跨跨中彎矩為59～180 kN·m，雖是連續(xù)梁橋的4.5倍，但只有對應(yīng)自重引起彎矩（943 kN·m）的6%～19%（也遠小于活載的響應(yīng)）.可見，中低設(shè)防烈度地區(qū)，接線路面引起的邊跨主梁的附加彎矩對主梁影響很小，不會造成損傷.

4參數(shù)敏感性分析

4.1主梁長度

全無縫橋梁一般都是在標準跨徑（如20 m標準預(yù)應(yīng)力空心板）簡支梁橋的基礎(chǔ)上，通過主橋先簡支后橋面連續(xù)及接線結(jié)構(gòu)無縫化的方法來實現(xiàn)路橋全無縫.現(xiàn)已建成的全無縫橋梁橋長主要為2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m.為了全面掌握各種橋長的全無縫橋梁在中低設(shè)防烈度地區(qū)的地震響應(yīng)情況，分別對上述4種橋長的全無縫橋梁進行了時程分析.計算模型以2.2中全橋計算模型為基準，僅僅把主橋改設(shè)為2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m 4種情況.接線路面剛度、地震荷載等保持不變.計算結(jié)果如表4所示，小震、中震和大震分別用X，Z，D表示.從分析結(jié)果可以看出：

隨著主梁長度的增加，全無縫橋梁的位移變形響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)都呈增加趨勢，且位移變形響應(yīng)的增幅要大于內(nèi)力響應(yīng)的增幅.然而，地震響應(yīng)最大的5×20 m全無縫橋梁的橋墩、主梁、支座都處在彈性抗力范圍內(nèi)，主梁最大位移也僅有11.0 mm，不會沖撞橋臺.

隨著主梁長度的增加，接線路面的變形也越來越大.除了各級地震作用下的2×20 m全無縫橋和小震作用下的4種典型橋長全無縫橋的接線路面變形 （即主梁位移）落在性能區(qū)間1，瀝青混凝土路面都是平順無損的；其它情況都落在性能區(qū)間2，接線路面板路面層會出現(xiàn)細裂縫，但震后會彈性閉合，同時地錨與路交界處的路面可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.

4.2接線路面剛度

從前面的模態(tài)分析和地震響應(yīng)分析可以看出，接線路面的剛度對全無縫橋梁的振動影響很大.本部分僅將2.2中全橋計算模型的接線路面剛度（單位：kN/m）設(shè)置成如表5所示的9種等級進行時程分析，地震荷載同前.從表5的計算結(jié)果，可以看出：

隨著接線路面剛度的增加，主梁縱橋向位移、支座變形、墩底最大彎矩及對應(yīng)剪力都顯著遞減.可見，增大接線路面剛度能有效地減小全無縫橋梁全橋的位移響應(yīng)和橋墩的內(nèi)力響應(yīng)，是控制落梁、支座破壞、橋臺沖剪和橋墩損傷的最有效措施.

當接線路面每延米寬的剛度增大到100 000 kN/m時橋墩的內(nèi)力響應(yīng)出現(xiàn)最小值，再增大剛度響應(yīng)反而會小幅升高.可見，即使不考慮經(jīng)濟效益，通過一味地增大接線路面剛度來增強全無縫橋梁抗震性能也是不合理的.

隨著接線路面剛度的增加，邊跨主梁彎矩響應(yīng)呈先增大后減小的趨勢.峰值彎矩為360 kN·m，僅為邊跨自重彎矩（943 kN·m）的38%，也遠小于活載彎矩.可見，中低設(shè)防烈度地區(qū)，接線路面引起的邊跨主梁彎矩不會造成主梁損傷.

無論在何種接線路面剛度情況下，隨著地震作用的增大，各項地震響應(yīng)都會增大.因此，選擇合理接線路面剛度時，還應(yīng)考慮橋址地震大小情況.

由于接線路面剛度=接線路面板剛度+地錨剛度，且常規(guī)設(shè)計完成后，接線路面板的剛度隨之確定，所以唯有通過增強地錨剛度的方式來增大接線路面剛度，最終達到增強全無縫橋梁的抗震性能.

5結(jié)論

根據(jù)接線路面不同的受力和損傷狀態(tài)，把接線路面板拉伸荷載變形曲線劃分為3個區(qū)間，并據(jù)此提出了接線路面板拉伸曲線的3線性簡化模型.這為建立全無縫橋梁動力模型，進行模態(tài)分析和地震時程分析打下了基礎(chǔ).

全無縫橋梁和連續(xù)梁橋的振型和頻率非常類似.振型方面：第一振型都是縱橋向漂移，而且其它各階振型及出現(xiàn)順序基本一致.頻率方面：除了第一階固有頻率相差很大外，其它各階頻率基本一致.另外，全無縫橋梁第一階振型參與質(zhì)量高達91%，縱橋向振動以第一階縱漂振動為主.

全無縫橋梁的主梁由于受到接線路面的限制，全無縫橋梁主梁縱飄位移和墩頂支座變形分別僅為對應(yīng)連續(xù)梁橋的24%和20%；墩底最大彎矩和剪力響應(yīng)也只有對應(yīng)連續(xù)梁橋的35%；唯有邊跨主梁彎矩響應(yīng)是連續(xù)梁橋的4.5倍，但最大彎矩值也僅為自重響應(yīng)的19%（不足以造成主梁損傷）.可見，全無縫橋梁不存在伸縮裝置破損，對抗落梁、抗橋臺沖剪、保護支座和橋墩都非常有利，抗震性能明顯地優(yōu)于簡支梁橋和連續(xù)梁橋，是一款抗震性能非常優(yōu)秀的中小型橋梁.

中低烈度地區(qū)4種典型橋長的全無縫橋梁抗震分析表明：隨著橋長的增加，全無縫橋梁的位移響應(yīng)和內(nèi)力響應(yīng)都呈增加趨勢，但橋墩、主梁、支座都處在彈性抗力范圍內(nèi).另外，各級地震作用下的2×20 m全無縫橋和小震作用下的4款全無縫橋的接線路面處于性能“區(qū)間I”：完好無損；其它情況的接線路面處于性能“區(qū)間II”：出現(xiàn)細裂縫，但震后會彈性閉合、地錨與路交界處會出現(xiàn)較小的開裂現(xiàn)象.

接線路面剛度參數(shù)敏感性分析表明：隨著接線路面剛度的增加，主梁縱橋向位移、支座變形、墩底彎矩及剪力都顯著遞減；主梁彎矩響應(yīng)存在一個極大值，但值較小.可見，接線路面剛度是控制全無縫橋梁抗震性能的最敏感參數(shù).在經(jīng)濟合理的前提下，采用剛度較大的地錨對全無縫橋梁抗震是有利的.

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