橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)特性研究

陳盈 張樂 張文學(xué) 田雨毫

摘要：為研究橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的縱向彈性地震響應(yīng)特性，以某山區(qū)橋隧相連三跨連續(xù)梁橋為背景，建立碰撞分析模型，研究其縱向彈性地震響應(yīng)特性，并與常規(guī)連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)進行對比;分析了場地類型、墩高、伸縮縫間隙、滑動支座摩擦系數(shù)等因素對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)特性的影響，討論了伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置的減震效果。研究表明：與帶引橋超高墩連續(xù)梁橋相比，碰撞效應(yīng)對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的縱向彈性地震響應(yīng)的影響更加顯著;橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋隨著墩高的增加固定墩彎矩響應(yīng)沿墩高出現(xiàn)多個極值點，固定墩墩頂剪力響應(yīng)明顯增加，甚至超過墩底剪力。場地類型和伸縮縫間隙均對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)有較大影響;增大滑動支座摩擦系數(shù)對超高墩連續(xù)梁橋墩底內(nèi)力響應(yīng)基本無影響;在伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置可以明顯降低其地震響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：縱向地震響應(yīng);橋隧相連;連續(xù)梁橋;超高墩;碰撞

中圖分類號：U442.5⁺5文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-4523（2020）05-1024-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.017

引言

對歷次地震中的震損橋梁研究得出，碰撞是導(dǎo)致連續(xù)梁橋損傷甚至倒塌的重要原因。目前，已有許多學(xué)者對碰撞問題進行了理論分析。Praveen等認為可采用直桿共軸碰撞理論分析相鄰梁體的碰撞，并建立了阻尼比、恢復(fù)系數(shù)及鄰梁長度比等參數(shù)的關(guān)系。王東升等認為鄰梁碰撞介于剛體碰撞和直桿共軸碰撞之問，建立了兩種碰撞模型，并分析了鄰梁長度比、阻尼比等對地震響應(yīng)的影響，得出碰撞彈簧剛度約為0.5倍的較短主梁軸向剛度。王軍文等比較了連續(xù)梁橋單邊碰撞和雙邊碰撞地震響應(yīng)的不同，認為主橋與引橋的周期比也是影響地震響應(yīng)的主要因素。李忠獻等通過對兩跨簡支隔震橋梁模型的振動臺試驗，分析了鄰梁問隙、質(zhì)量比、隔震支座類型對碰撞響應(yīng)的影響。張文學(xué)等認為斜拉橋與引橋的碰撞響應(yīng)除了與斜拉橋的重心高度、引橋形式等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外，場地類型也是重要的影響因素，同時在伸縮縫處設(shè)置阻尼器可以有效控制主橋的地震響應(yīng)。

目前關(guān)于普通墩連續(xù)梁橋地震碰撞理論及影響因素的研究較為成熟，其研究對象多為連續(xù)梁橋主橋與引橋之問的碰撞響應(yīng)。隨著中國西南地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進，將建造大量的山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋，且處于地震高烈度區(qū)，但關(guān)于橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)特性及損傷模式的研究還很少見到相關(guān)文獻。因此有必要對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)特性及設(shè)計注意事項等進行系統(tǒng)研究。

1有限元模型建立

1.1碰撞單元選取

目前橋梁結(jié)構(gòu)分析中對碰撞的模擬一般采用接觸單元法，可采用Kelvin模型。如圖1所示，Kelvin模型由阻尼器并聯(lián)彈簧形成，再通過串聯(lián)的方式與問隙耦合。

1.2模型介紹

以某山區(qū)（80+120+80）m三跨超高墩連續(xù)梁橋為研究對象，其主梁為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，主梁根部梁高7.3m，跨中部梁高3m，箱梁高度按1.8次拋物線變化;箱梁頂板寬13.25m，底板寬7m。主墩采用變截面矩形空心墩，1#和2#墩墩高均為120m，1#墩為固定墩，2#墩為活動墩，利用XTRACT軟件求出1#和2#墩的墩底屈服彎矩Ms=1.1x 10⁶kN·m，總體布置如圖2所示。為研究超高墩連續(xù)梁橋的碰撞特性，采用ANSYS有限元軟件建立3種分析模型，如圖3所示。模型一為不考慮碰撞效應(yīng)的超高墩連續(xù)梁橋模型，模型二為超高墩連續(xù)梁橋與橋臺碰撞模型，模型三為超高墩連續(xù)梁橋與引橋碰撞模型。3種模型中主梁與墩均采用線性單元BEAM3模擬，主梁與墩臺問的支座通過耦合節(jié)點自由度來模擬，即滑動支座通過耦合梁底與墩頂?shù)呢Q向自由度模擬，固定支座通過耦合其豎向、橫向兩個方向的自由度來模擬。由于山體的質(zhì)量遠大于橋梁的質(zhì)量，模型二中梁與橋臺的碰撞可以簡化為梁與固定點的碰撞。模型三中引橋采用先簡支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形連續(xù)梁橋，固定墩為高度18m的矩形空心墩，截面如圖3（c）所示。接觸單元皆采用COMBIN40單元，其中GAP的取值為伸縮縫問隙的大小，可滑動彈簧K1取值為0，彈簧K2取接觸剛度k的500倍以上。

1.3地震波

選取山區(qū)常見的工，Ⅱ類場地地震波作為縱向地震動輸人，如表1所示。將加速度峰值均調(diào)整為0.4g，分析場地類型、墩高、伸縮縫問隙等因素對主橋地震響應(yīng)的影響。加速度反應(yīng)譜如圖4所示。

2不同超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)對比

為研究不同模型超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)特性，以Ⅱ類場地中的El-centro波作為縱向地震波輸入，對墩高H=120m，伸縮縫問隙為10cm的3種模型進行地震響應(yīng)分析，計算結(jié)果如圖5和6所示。由此可知：

（1）在縱向地震波作用下，不同模型超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)差異較大?？傮w來說，對于超高墩連續(xù)梁橋，不考慮碰撞效應(yīng)的模型一和考慮與引橋碰撞的模型三的地震響應(yīng)相差較小。而與橋臺碰撞的模型二橋墩的內(nèi)力響應(yīng)與模型一和模型三的橋墩內(nèi)力響應(yīng)相差較大：1）模型二墩上部和墩底處彎矩響應(yīng)明顯增大;2）由于模型二在地震響應(yīng)過程中存在較大的碰撞力，致使橋墩頂部存在較大的剪力響應(yīng)。

（2）模型二和模型三雖然都考慮了碰撞效應(yīng)，但由于模型二中橋臺的剛度明顯大于模型三中引橋橋墩剛度，在地震作用下橋臺位移響應(yīng)很小，使得模型二的碰撞力明顯大于模型三;同時碰撞次數(shù)相比于模型三也有所減少。

（3）由于超高墩自身質(zhì)量和高階振型的貢獻，使得橋墩剪力和彎矩響應(yīng)峰值并不是從墩底到墩頂線性規(guī)律減小的，而是在墩身的某個位置出現(xiàn)第2個極值響應(yīng)點。

（4）在模型一、模型二和模型三中，固定墩墩底的彎矩均小于其屈服彎矩Ms，這說明在E1-Centro波（PGA=0.40g）作用下，固定墩處于彈性范圍內(nèi)。

3參數(shù)影響分析

3.1場地類型的影響

為研究場地類型對山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，以墩高H=120m，伸縮縫問隙為10cm的模型二、模型三進行分析，采用表1中所列典型地震波作為縱向地震波輸入，計算結(jié)果如圖7所示。由此可知：

（1）在I類場地下模型二的墩底彎矩略小于模型三墩底彎矩，墩底剪力與模型三墩底剪力基本相同，但墩頂剪力卻明顯大于模型三的墩頂剪力。在Ⅱ類場地下模型二的墩底彎矩明顯大于模型三墩底彎矩，墩底剪力略大于模型三的墩底剪力，但墩頂剪力明顯大于模型三的墩頂剪力。

（2）在Ⅱ類場地下模型三的墩頂剪力明顯小于墩底剪力，模型二的墩頂剪力卻明顯大于墩底剪力。這主要是因為在Ⅱ類場地下模型二的伸縮縫碰撞力明顯大于模型三，致使模型二的墩頂剪力響應(yīng)明顯增加。

（3）在Ⅱ類場地下模型二和模型三的地震響應(yīng)與I類場地相比均明顯增加，但模型二的墩頂剪力響應(yīng)和墩底彎矩響應(yīng)的增加幅度明顯大于模型三。

3.2墩高的影響

為研究墩高對山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，取固定墩墩高H=40-160m，伸縮縫問隙為10cm的模型二、模型三進行分析，以表1中所列工，Ⅱ類場地土中SUPERSTITION波、E1-Centro波作為縱向地震波輸入，計算結(jié)果如圖8-11所示。由此可知：

（1）對于模型三，在SUP波和ELC波作用下主橋與引橋的伸縮縫問隙對墩底剪力和墩頂剪力的影響均不明顯;但在SUP波作用下，伸縮縫問隙對模型三的橋墩彎矩響應(yīng)有一定影響。對于模型二，主橋與橋臺之問的伸縮縫問隙對墩底剪力影響較小，但對墩頂剪力影響較大;伸縮縫問隙對模型二和模型三的墩身彎矩響應(yīng)有一定影響。

（2）伸縮縫問隙對模型二和模型三的碰撞力響應(yīng)均有影響，且對模型二的影響程度明顯大于對模型三的影響。在墩高和伸縮縫問隙相同的情況下，模型二的碰撞力響應(yīng)明顯大于模型三。

3.4滑動支座摩擦系數(shù)的影響

為研究滑動支座摩擦系數(shù)對山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震碰撞響應(yīng)的影響，采用接觸對（由接觸面和目標(biāo)面組成）模擬滑動支座的摩擦系數(shù)，如圖15所示。其中，結(jié)點1和結(jié)點2之問建立剛臂，使用單元CONTAl71建立接觸面;結(jié)點3和結(jié)點4之問建立剛臂，使用TARGEl69建立目標(biāo)面。然后使梁底與接觸面耦合，墩頂與目標(biāo)面耦合，通過設(shè)置接觸對的摩擦系數(shù)來模擬滑動支座的摩擦系數(shù)。

分別取支座摩擦系數(shù)為2%，4%，6%，8%，墩高H=120m，伸縮縫問隙為10cm的模型二、模型三進行分析，以表1中所列工，Ⅱ類場地土中SUPER-STITION波、E1-Centro波作為縱向地震波輸人，計算結(jié)果如圖16-18所示。由此可知：

（1）對于模型二來說，增大滑動支座摩擦系數(shù)對墩底彎矩和墩底剪力基本無影響，但對墩頂剪力和主梁碰撞力影響較大。在工類場地下，隨著滑動支座摩擦系數(shù)的增大，墩頂剪力和主梁碰撞力逐漸增大;而在Ⅱ類場地下，隨著滑動支座摩擦系數(shù)的增大，主梁碰撞力基本呈下降趨勢。

（2）對于模型三來說，滑動支座的摩擦系數(shù)基本對橋墩的內(nèi)力響應(yīng)無影響，但須注意在工類場地下隨著滑動支座摩擦系數(shù)的增大，主梁碰撞力會逐漸增大。4橡膠緩沖裝置減震效果分析

為研究橡膠緩沖裝置對山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，分別取剛度比為ε=0.01，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8進行分析。以表1所列Ⅱ類場地土中E1-Centro波作為縱向地震波輸人，對墩高H=120m，伸縮縫問隙為10cm的模型二、模型三進行分析。橡膠緩沖裝置的減震效果如圖19所示，由此可知：

（1）在伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置可以有效降低模型二和模型三的地震響應(yīng)，且在剛度比相同的情況下模型二固定墩的減震效果優(yōu)于模型三的減震效果。

（2）橡膠緩沖裝置的剛度比ε<0.2時，模型二的減震率隨著剛度比s的增加而增大;當(dāng)ε>0.4后，模型二減震率逐漸下降。綜合分析，對于模型二取緩沖裝置剛度比ε=0.2-0.4較為合理。

（3）對于模型三，在伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置雖然可以降低墩底彎矩和剪力響應(yīng)，但減震效果有限，墩底彎矩減震率基本在3%左右，墩頂剪力減震率在13%左右，墩底剪力基本無減震效果。

5結(jié)論

（1）與帶引橋超高墩連續(xù)梁橋相比，碰撞效應(yīng)不僅增大了橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋橋墩上部的地震響應(yīng)，還改變了橋墩剪力響應(yīng)的豎向分布規(guī)律，使其剪力最大值出現(xiàn)在墩頂位置處而非墩底位置。因此，設(shè)計時應(yīng)重視墩頂?shù)目拐鹉芰︱炈恪?/p>

（2）墩高和場地類型對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)有較大影響。隨著墩高的增加，固定墩剪力和彎矩響應(yīng)并不是沿墩高呈線性規(guī)律降低，墩身彎矩響應(yīng)可能出現(xiàn)多個極值點，墩底往上2、3位置彎矩明顯增大，固定端最大剪力響應(yīng)甚至?xí)霈F(xiàn)在墩頂位置。

（3）伸縮縫問隙對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響相對較大，隨著伸縮縫問隙的增大墩頂剪力基本呈下降趨勢，而墩底彎矩響應(yīng)影響因素復(fù)雜，不僅與伸縮縫問隙有關(guān)，而且還與場地類型相關(guān)，在工類場地下隨著伸縮縫問隙的增大，墩底彎矩呈上升趨勢，在Ⅱ類場地下隨著伸縮縫問隙的增大，墩底彎矩呈先下降后不變的趨勢;而伸縮縫問隙對墩底剪力影響較小。

（4）增大滑動支座摩擦系數(shù)對橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋墩底內(nèi)力響應(yīng)基本無影響，但對墩頂剪力和主梁碰撞力影響較大。在工類場地下，隨著滑動支座摩擦系數(shù)的增大，墩頂剪力和主梁碰撞力逐漸增大;而在Ⅱ類場地下，隨著滑動支座摩擦系數(shù)的增大，主梁碰撞力基本呈下降趨勢。

（5）在伸縮縫處合理設(shè)置橡膠緩沖裝置可以大幅度降低橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)，起到較好的減震效果，綜合分析設(shè)計時取緩沖裝置剛度比ε=0.2-0.4較為合理。