連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能影響因素分析★

張澤宇 周 逸 張森華*

(1.貴州高速集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000;2.重慶亞派橋梁工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，重慶 401121; 3.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種組合體系結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)在于變形小、結(jié)構(gòu)剛度大、行車平順舒適等。但其抗震理論的發(fā)展速度較慢，現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)規(guī)范不適用于跨徑大于150 m的大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，這使得在設(shè)計(jì)階段必須對(duì)其抗震性能給予足夠的考量。

目前，許多學(xué)者對(duì)大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。其中對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)的研究為設(shè)立橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定提供了理論依據(jù)［1-3］;范立礎(chǔ)等人對(duì)地震波輸入方向的問題進(jìn)行了研究，并提出了大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)的方法［4，5］;潘強(qiáng)等對(duì)高墩對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)及行波效應(yīng)進(jìn)行了研究［6，7］;何欽象等人提出了大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能評(píng)估方法［8］;王東升等對(duì)地震波輸入的最不利方向進(jìn)行了分析研究［9］。但對(duì)于橋墩高度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響還缺乏系統(tǒng)性研究。

為此，作者在目前的研究成果的基礎(chǔ)上，基于Midas有限元程序，討論了橋墩高度對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響，對(duì)橫、縱橋向地震的影響下對(duì)橋梁的動(dòng)力響應(yīng)、橋梁受力和橋梁位移進(jìn)行分析，以期為評(píng)估相關(guān)類型橋梁的抗震性能提供依據(jù)。

1 橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

基于Midas-civil建立了考慮邊跨支座處的彈性約束作用以及基礎(chǔ)和地基的影響的數(shù)值模擬有限元模型，從而分析橋梁在橫橋向以及縱橋向地震波影響下的動(dòng)力特征。本橋跨徑布置為95 m+180 m+95 m，橋面橫橋向凈寬為11.5 m。

圖1 全橋總體布置圖

全橋總體布置圖如圖1所示。主梁為變截面箱梁，箱梁采用單箱單室結(jié)構(gòu)，材料為C50混凝土。橋墩高度為15 m～100 m。為使模型貼近實(shí)際情況，基于“m法”計(jì)算了等效的土彈簧剛度，并將其作為實(shí)際土層的等效替換。全橋有限元模型如圖2所示。

建立的有限元模型的參數(shù)根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)確定，地震波的參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行選取。根據(jù)相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，取抗震烈度為8級(jí)，采用Midas提供的典型的地震波進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，地震作用角度分別為0°及90°，周期折減系數(shù)為1，峰值加速度為0.2g。

圖2 橋梁有限元模型

2 抗震性能分析

考慮到雙肢薄壁墩在大跨連續(xù)剛構(gòu)橋中的廣泛應(yīng)用，研究了采用該截面形式墩的墩高對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)特性的影響。

2.1 對(duì)自振特性的影響

根據(jù)有限元方法的計(jì)算結(jié)果，不同墩高對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率如表1所示。由表1可知，對(duì)于相同高度的橋墩而言，其自振頻率與振動(dòng)階次成正比。對(duì)于相同的自振階次，自振頻率與墩高成正比。這是由于墩高下降引起的橋梁整體結(jié)構(gòu)剛度下降。故在連續(xù)剛構(gòu)橋中采用高墩時(shí)，需要考慮由于剛度下降對(duì)結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)的影響。

表1 不同階次振型及頻率

2.2 梁跨中位移的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在縱橋向地震波作用下，橋梁結(jié)構(gòu)在跨中僅產(chǎn)生極小的豎向和一定的縱橋向位移。在橫橋向地震波作用下，橋梁結(jié)構(gòu)在跨中截面處存在較大橫橋向位移。此外墩的高度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面處的縱橋向和橫橋向位移有一定影響。采用不同墩高時(shí)，對(duì)應(yīng)的橋梁跨中截面順橋向、橫橋向位移如圖3所示。

圖3 橫橋向地震波作用下不同橋墩高度跨中截面位移圖

圖4 橫橋向地震波作用下不同橋墩高度墩頂截面位移圖

由圖3可見，橋梁跨中截面橫橋向位移隨墩高的增長呈線性增長，增長速度快且穩(wěn)定。但隨著墩高的增長，橋梁跨中截面縱橋向位移增長較慢，且縱橋向位移的增長速度隨墩高的增長而降低。由此可知，橋墩高度的增加會(huì)增大梁體在地震作用下橫向傾覆的可能性，在采用高墩時(shí)應(yīng)注意增大橋墩的橫橋向剛度，以減少地震作用下的橫橋向位移。

2.3 對(duì)墩頂位移的影響

墩高對(duì)于墩頂截面位移的影響與其對(duì)于跨中截面的影響類似，在縱橋向地震波作用下，橋梁結(jié)構(gòu)在墩頂僅產(chǎn)生極小的豎向和一定的縱橋向位移，不產(chǎn)生橫橋向位移。而在橫橋向地震波作用下，橋梁結(jié)構(gòu)在墩頂截面處不產(chǎn)生豎向和縱橋向位移，而存在較大的橫橋向位移，見圖4。易知地震作用不會(huì)引起橋梁產(chǎn)生豎向的，而會(huì)產(chǎn)生橫橋向和縱橋向的位移。并且墩的高度對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)墩頂位移有一定影響。

由此可知，橋墩高度的增加會(huì)增大梁體在地震作用下橫向傾覆的可能性，在采用高墩時(shí)應(yīng)注意增大橋墩的橫橋向剛度，以減少地震作用下的橫橋向位移。

2.4 對(duì)墩頂內(nèi)力的影響

采用各高度橋墩的橋梁的墩頂截面內(nèi)力如圖5所示。

圖5 不同橋墩高度墩頂內(nèi)力圖

對(duì)于高度不同的橋墩，縱橋向地震波引起的墩頂剪力均小于橫橋向地震波引起的墩頂剪力，但兩者差異較小，且兩者引起的墩頂截面剪力與墩高的關(guān)系類似。同樣對(duì)于墩頂截面的彎矩而言，其彎矩隨橋墩高度的增加先減后增，但其轉(zhuǎn)折點(diǎn)是橋墩高度為85 m時(shí)，較墩頂剪力曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)更大。故可以通過計(jì)算找到對(duì)地震作用響應(yīng)最小的橋墩高度，以便減小包括墩頂剪力和墩頂彎矩在內(nèi)的墩頂彎矩，進(jìn)而改善梁墩固結(jié)處的受力情況。

2.5 對(duì)墩底內(nèi)力的影響

橋墩高度不同時(shí)，橋梁的墩頂內(nèi)力如圖6所示。墩底剪力隨橋墩高度改變的變化規(guī)律與墩頂內(nèi)力的變化規(guī)律相似。對(duì)于高度不同的橋墩，縱橋向地震波引起的墩頂剪力均小于橫橋向地震波引起的墩頂剪力，但兩者差異較小，且兩者引起的墩頂截面剪力與墩高的關(guān)系類似。

對(duì)于墩底彎矩而言，縱橋向地震波引起的墩底彎矩和橫橋向地震波引起的墩底彎矩隨橋墩高度改變的變化規(guī)律相似。不同于墩頂截面彎矩變化規(guī)律，橫橋向地震波引起的墩底截面彎矩遠(yuǎn)大于由縱橋向地震波引起的墩底截面彎矩，故在進(jìn)行橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意增大橋墩在橫橋向的抗彎剛度。

圖6 不同橋墩高度墩底內(nèi)力圖

3 結(jié)語

1)對(duì)于相同的自振階次，結(jié)構(gòu)自振頻率與橋墩高度成正比，故在連續(xù)剛構(gòu)橋中采用高墩時(shí)，需要考慮由于剛度下降對(duì)結(jié)構(gòu)整體地震響應(yīng)的影響。

2)橋墩高度的增加會(huì)增大梁體在地震作用下橫向傾覆的可能性，在采用高墩時(shí)應(yīng)注意增大橋墩的橫橋向剛度，以減少地震作用下的橫橋向位移。

3)通過計(jì)算找到對(duì)地震作用響應(yīng)最小的橋墩高度，可減小包括墩頂剪力和墩頂彎矩在內(nèi)的墩頂彎矩，進(jìn)而改善梁墩固結(jié)處的受力情況。

4)橫橋向地震波引起的墩底截面彎矩遠(yuǎn)大于由縱橋向地震波引起的墩底截面彎矩，故在進(jìn)行橋墩設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意增大橋墩在橫橋向的抗彎剛度。

5)通過上述研究，定量地討論了橋墩高度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響程度，分析了連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性的變化規(guī)律;計(jì)算所得結(jié)論有助于了解連續(xù)剛構(gòu)橋的動(dòng)力特性以及對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。