近斷層地震動對高低墩連續(xù)剛構橋受力影響分析

姜 楠 劉 鵬

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

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近斷層地震動對高低墩連續(xù)剛構橋受力影響分析

姜 楠1劉 鵬2

(1.中鐵二院重慶勘察設計研究院有限責任公司，重慶 400023； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031)

以三跨連續(xù)剛構橋為例，通過建立分析模型，研究了墩高分別為30 m+45 m和30 m+60 m兩種情況時，橋梁的地震響應和橋墩損傷情況，結果表明高墩、低墩的位移時程不一致，使得梁體產(chǎn)生一定的扭轉；低墩墩頂承受更大的彎矩、墩底承受更大的剪力，導致低墩的損傷分布在橋墩的墩頂、橫系梁和墩底截面，而高墩的損傷主要分布在下半部分。

近斷層地震動，高低墩，連續(xù)剛構橋，纖維單元

1 概述

由于跨越山溝河谷等復雜地形的需要，山區(qū)橋梁往往采用高低墩連續(xù)剛構橋。目前，國內學者已針對不等高橋墩或者高低墩橋梁進行了一定的研究。耿江瑋等[1]通過對非規(guī)則連續(xù)梁橋的非線性地震反應分析表明，當橋墩高度差異較大時，各墩變形能力相差也較大，導致在地震過程中矮墩承擔更大的地震力，從而引起整座橋梁的抗震性能降低。徐龍[2]通過對縱橫向地震分別輸入研究表明，地震順橋向輸入時低墩承擔了主要的地震力作用；地震橫橋向輸入時，高墩承擔了主要的地震力作用。在不對稱連續(xù)剛構橋的抗震設計中，張志勇[3]提出可適當減小矮墩的剛度，以減小最不利情況下結構關鍵截面的內力。陳麗麗[4]也針對墩體剛度的改變對結構地震響應的影響進行了分析，認為改變墩體剛度對內力的影響要遠大于對位移的影響。王建忠[5]通過計算分析認為當墩高不對稱時，兩墩彎矩相差明顯增大。上述研究都是基于遠場地震進行的，但對于近斷層地震動作用下不等高橋墩連續(xù)剛構橋的地震響應分析仍鮮見公開研究成果。因此，本文選取近斷層地震動對高低墩連續(xù)剛構橋的受力進行分析，以期結論為同類橋梁的設計及研究提供參考。

2 模型建立

2.1 實例概況

為研究近斷層地震動對不等高橋墩連續(xù)剛構橋抗震性能的影響，以一座鐵路連續(xù)剛構橋為例展開分析。該連續(xù)剛構橋跨徑組成為72 m+128 m+72 m，主梁采用變高度預應力混凝土箱梁，混凝土等級為C50；橋墩采用雙肢薄壁墩，單肢采用圓端形變截面，墩頂橫橋向寬9 m、順橋向長2 m，其中橫橋向矩形部分長為7 m、圓端半徑1 m，橫橋向沿墩高方向按1∶40的比例放坡，墩身采用C40混凝土、HRB400鋼筋。計算中采用彈性梁單元模擬主梁、采用纖維單元模擬橋墩混凝土和鋼筋，橋墩高度按2種情況進行考慮：30 m+45 m及30 m+60 m，其中：在高度為30 m和45 m的橋墩中部設置一道橫系梁、高度為60 m的橋墩按間隔20 m設置兩道橫系梁。有限元模型、纖維單元截面見圖1。數(shù)值分析采用有限元軟件FRAME3D，該軟件為日本抗震分析商業(yè)軟件。

2.2 材料滯回模型

分別定義無約束混凝土、約束混凝土和鋼筋3種材料本構模型，以模擬鋼筋混凝土截面的保護層混凝土、核心混凝土和鋼筋。無約束混凝土、約束混凝土均選用Mander混凝土滯回模型，鋼筋則采用修正MP(S-K)滯回模型，滯回關系骨架如圖2所示。

2.3 地震波選取

1999年9月21日，中國臺灣南投縣集集鎮(zhèn)、車籠埔斷層上發(fā)生了強度Ms7.6級的地震，震源深度7.0 km，此次地震獲得了豐富的近斷層加速度記錄。選取TCU068，TCU102，TCU103，TCU106和CHY025等5條地震波進行三向地震動輸入，統(tǒng)一將最大水平向加速度峰值調整至0.3g，另一水平向加速度峰值和豎向地震動加速度峰值按照相應比例進行調整。

3 計算結果與分析

3.1 抗推剛度分析

張永水等[6]通過連續(xù)剛構橋雙肢薄壁墩抗推剛度計算方法的研究，提出等截面雙肢薄壁墩被動位移階段的抗推剛度與墩高的三次方成反比。根據(jù)該成果，30 m+45 m，30 m+60 m兩種墩高峰組合若不考慮放坡，兩墩抗推剛度比近似分別為3.375，8.0，即兩種墩高組合兩墩抗推剛度均相關明顯，且后者較前者差別更大。

3.2 地震響應

在5條地震波作用下，橋墩墩頂位移最大值見表1。從表1中可見，兩墩墩頂橫橋向位移相差較大，墩高組合為30 m+45 m時，高墩橫橋向位移為低墩的1.74倍，墩高組合為30 m+60 m時為2.43倍；而縱橋向位移幾乎一致。這是由于雖然高、低墩橋墩抗推剛度不同，但主梁縱向剛度很大，使得兩墩縱向位移基本一致；而主梁橫橋向剛度相對較小，兩墩之間的聯(lián)系較弱，從而導致高、低墩位移不一致。圖3為TCU068作用下墩頂位移時程，從圖3中可清晰看出高墩、低墩位移的不一致性，且墩高差別越大不一致性越強，進而造成主梁產(chǎn)生扭轉。

通過主梁跨中扭矩情況亦能看出墩高差別越大、主梁扭轉越大。墩高組合為30 m+45 m時主梁跨中扭矩為278 014 kN·m，墩高組合為30 m+60 m時為338 158 kN·m，二者相差明顯。

表1 墩頂位移 cm

高低墩的墩頂彎矩和墩底彎矩分別見表2和表3。從表2，表3中可見，隨著墩高剛度差距的增大，墩頂彎矩變化不明顯，但低墩都大于高墩彎矩值。高墩墩底彎矩比低墩大，隨著墩高剛度差距的增大，低墩墩底彎矩變化不大，高墩墩底彎矩增加明顯，二者差距進一步增大。就墩底剪力而言，低墩明顯大于高墩。

表2 墩頂彎矩 kN·m

表3 墩底內力

3.3 橋墩損傷

為了更形象的對比橋墩的損傷情況，圖4，圖5分別給出了橋梁兩種墩高組合在TCU068作用下橋墩的損傷情況，圖中深灰色代表混凝土破壞、黑色代表一定程度的損傷。從圖4，圖5中可見低墩的墩頂截面更容易損傷，而墩底截面損傷程度相差不大，這也與上一節(jié)對墩頂、墩底彎矩的比較規(guī)律相一致。通過對5條地震波激勵下橋墩的損傷分布情況分析發(fā)現(xiàn)，低墩損傷較嚴重的截面為墩頂、橫系梁位置和墩底截面，而高墩損傷較嚴重的截面明顯“往下移動”，除墩底截面外，墩高45 m時為橫系梁位置截面、橋墩60 m時為靠近墩底橫系梁位置截面。

4 結論

通過對連續(xù)剛構橋采用兩種墩高組合、在多條近斷層地震波作用下的結構響應和橋墩損傷情況進行對比分析，得到如下結論：1)由于兩墩位移時程不一致，導致梁體在地震作用下產(chǎn)生一定的扭轉。2)低墩的墩頂截面承受更大的彎矩，更容易發(fā)生損傷。3)低墩墩底剪力明顯大于高墩，而墩底截面彎矩相差不大。4)低墩的損傷分布較廣，在墩頂、橫系梁位置和墩底截面均有出現(xiàn)，而高墩的損傷明顯“往下移動”，出現(xiàn)在墩底和靠近墩底的橫系梁位置。

[1] 耿江瑋,朱東生,向中富,等.非規(guī)則連續(xù)梁橋非線性地震反應分析[J].重慶：重慶交通大學學報(自然科學版),2011,30(2):185-189.

[2] 徐 龍.山區(qū)高低墩梁式橋地震響應特性及減隔震研究[D].重慶：重慶交通大學,2014.

[3] 張志勇.高低墩大跨連續(xù)剛構橋的地震響應研究[D].重慶：重慶大學,2014.

[4] 陳麗麗.不對稱連續(xù)剛構橋地震響應分析[D].大連：大連理工大學,2010.

[5] 王建忠.非對稱高墩連續(xù)剛構橋的地震反應分析與減震措施[D].重慶：重慶大學,2014.

[6] 張永水,曹淑上.連續(xù)剛構橋薄壁墩抗推剛度計算方法研究 [J].中外公路,2006,26(3):144-147.

Analysis on the force influence of near fault earthquake to high-low pier continuous rigid frame bridge

Jiang Nan1Liu Peng2

(1.China Railway Eryuan Chongqing Survey & Design Institute Limited Liability Company, Chongqing 400023, China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Limited Liability Company, Chengdu 610031, China)

Taking the three span continuous rigid frame bridge as an example, through the analysis model establishment, this paper the high pier respectively were 30 m+45 m and 30 m+60 m two cases, the seismic response and bridge piers damage situation of bridge, the results showed that displacement time histories of high pier not consistent with low pier, made the beam body had certain reverse, the low pier top bear greater bending moment, pier bottom bear greater shear, caused the low pier damage distributed in bridge pier top, transverse beam and pier bottom interface, but the high pier damage mainly distributed in lower part.

near fault ground motion, high-low pier, continuous rigid frame bridge, fiber element

1009-6825(2017)08-0174-02

2017-01-03

姜 楠(1981- )，女，工程師； 劉 鵬(1980- )，男，工程師

U442.55

A