曲率半徑對曲線連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響

柳琪琳

(廈門市湖里區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量安全站，福建廈門 361000)

1 曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工程概況

因?yàn)榍€橋彎扭耦合的特點(diǎn)使得曲線橋的受力狀態(tài)比直線橋更加復(fù)雜，內(nèi)力和位移響應(yīng)一般大于直線橋，曲線橋在地震作用下的響應(yīng)比直線橋更加敏感。在2008年汶川地震中,曲線橋遭到了較嚴(yán)重的破壞，百花大橋[1]、回瀾立交橋[2]、廟子坪大橋[3]等曲線橋均出現(xiàn)嚴(yán)重破壞或完全失效，兩座相距約50 m的橋梁—銀河Ⅰ號橋(曲線橋)和銀河Ⅱ號橋(直線橋),在地震作用下的響應(yīng)差別非常明顯，前者在地震中損壞嚴(yán)重,而后者則基本完好[4]，證實(shí)了曲線橋相對于直線橋的脆弱性。

本文以某實(shí)際連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔?，進(jìn)行曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在地震作用下的響應(yīng)研究。該工程的結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)梁混合體系，本文選取主線橋第七聯(lián)左幅(圖1)建立計(jì)算模型，其結(jié)構(gòu)形式為3跨一聯(lián)跨徑為30 m的預(yù)應(yīng)力混凝土曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，曲率半徑為110 m。主梁截面為流線型單箱三室(圖2)，梁高1.6 m，橋面寬度11 m，橋墩直徑2 m，橋墩高度為10 m。主梁與橋墩的混凝土強(qiáng)度等級為C50，2#墩與3#墩和主梁固結(jié)，與第六聯(lián)、第八聯(lián)分界處設(shè)置GPZ(Ⅱ)型盆式橡膠支座，其中一個為縱向活動支座，另一個為雙向活動支座。橋梁設(shè)計(jì)等級為城市Ⅰ級次干路兼旅游功能，設(shè)計(jì)荷載為汽車—超20級，掛車—120。

圖1 主橋第七聯(lián)左幅

圖2 橋斷面

本文采用JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[5](以下稱08細(xì)則)所提供的阻尼比為0.05的水平加速度反應(yīng)譜進(jìn)行計(jì)算。

2 橋梁動力響應(yīng)計(jì)算

以曲率半徑R=110m 的橋梁模型為基礎(chǔ)，依次改變曲率半徑為R=70m、R=110m、R=150m、R=190m、R=230m，其余設(shè)計(jì)參數(shù)如墩高、支承條件等保持不變，建立5個不同曲率半徑的有限元計(jì)算模型，分別計(jì)算它們的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)值，通過對比不同模型的響應(yīng)值，來分析結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)與曲率半徑之間的關(guān)系。

2.1 不同曲率半徑的橋梁自振頻率比較

首先，計(jì)算各個不同曲率半徑模型的前十階頻率，計(jì)算結(jié)果如圖3所示,通過對比分析可得,各個模型的頻率并無太大差異，沒有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。曲線橋的第一階振型為順橋向平動、第二階振型為橫橋向的側(cè)移振型，且自振頻率比較接近。但是當(dāng)R=70m時，曲線橋結(jié)構(gòu)在第三階振型就出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振型，其余曲率半徑的曲線橋均在第四階振型時才出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振型，說明小半徑曲線橋的扭轉(zhuǎn)振型是結(jié)構(gòu)振動的主要參與振型，彎扭耦合振動的效應(yīng)更明顯。

圖3 不同曲率半徑模型的前10階頻率

2.2 不同曲率半徑的曲線橋動力響應(yīng)結(jié)果

現(xiàn)利用時程分析法，選擇經(jīng)過根據(jù)場地進(jìn)行幅值調(diào)整的EI Centro波，調(diào)幅方法與第三章相同，對各個不同曲率半徑的有限元模型，進(jìn)行地震作用下的動力響應(yīng)分析，其中地震波包含三個方向的分量，計(jì)算時間為30 s，步長為0.01 s。選擇的計(jì)算截面與第三章相同(圖4)，計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 橋梁各主要計(jì)算截面

圖5 不同曲率半徑模型的橋墩彎矩響應(yīng)

圖6 不同曲率半徑模型的主梁彎矩響應(yīng)

圖7 不同曲率半徑模型的主梁扭矩響應(yīng)

圖8 不同曲率半徑模型的主梁豎向位移響應(yīng)

通過以上分析可得，隨著曲率半徑的減小，曲線橋整體的動力響應(yīng)呈增大的趨勢。其中1#墩、2#墩墩底彎矩(圖5)隨著曲率半徑的增大而不斷減小，1#墩不同曲率半徑的最大彎矩差值為10.1 %，2#墩為8.1 %。

主梁彎矩的變化較為復(fù)雜(圖6)，邊跨跨中1-1斷面、中跨跨中4-4斷面的彎矩值隨著曲率半徑的增大而增大，墩梁固結(jié)處2-2斷面、3-3斷面則隨著曲率半徑的增大而減小。對于連續(xù)剛構(gòu)橋，墩梁固結(jié)處受力復(fù)雜，可以看出小半徑曲線橋在墩梁固結(jié)處的受力更為不利，模型最大差值可達(dá)11 %。同時，墩梁固結(jié)處的扭矩(圖7)也隨著曲率半徑的減小而增大，說明小半徑橋彎扭耦合的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，其中扭矩最大差值為50 %。

主梁1-1斷面、4-4斷面的外側(cè)豎向位移(圖8)隨著曲率半徑的增大而減小，而內(nèi)側(cè)位移隨著曲率半徑的增大而增大，從整個結(jié)構(gòu)層面上看，主梁內(nèi)外側(cè)的位移差值隨著曲率半徑的減小呈增大趨勢，說明小半徑曲線橋側(cè)翻的趨勢更加明顯。綜上分析，曲率半徑對曲線橋的扭矩響應(yīng)的影響最大，小半徑曲線橋在地震作用下的受力更為不利。

3 結(jié)論

本章主要研究曲率半徑對曲線橋在地震作用下的動力響應(yīng)的影響，建立了不同參數(shù)的有限元模型，進(jìn)行了自振特性分析和線性時程分析。研究結(jié)果表明：不同曲率半徑對自振頻率的影響較小，但小半徑曲線橋的扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)的較早，彎扭耦合振動的效應(yīng)更明顯。在動力響應(yīng)方面，小半徑橋彎扭耦合的現(xiàn)象更為嚴(yán)重，其中不同曲率半徑模型的扭矩最大差值為50 %。