簡(jiǎn)支梁橋改造前后抗震性能對(duì)比分析

黃香健 韋宗志

摘要：針對(duì)改造前后簡(jiǎn)支梁橋與整體橋的抗震性能分析，文章采用Midas Civil專業(yè)有限元軟件分別建立了簡(jiǎn)支梁橋與整體橋的有限元模型，對(duì)比了兩者在主梁、橋臺(tái)和樁基的地震特性。研究結(jié)果表明：舊橋改造后，整體橋的振動(dòng)頻率會(huì)大大提高，整體剛度明顯較簡(jiǎn)支梁橋大，可有效保護(hù)主梁的落梁現(xiàn)象，很好地抵抗地震荷載;改造后的整體橋主梁縱向變形和臺(tái)頂加速度大大減小，表現(xiàn)出更好的抗震性能;改造后整體橋的橋臺(tái)、主梁與樁基固結(jié)在一起，在梁端和臺(tái)頂會(huì)出現(xiàn)較大的彎矩，使得跨內(nèi)彎矩減小，主梁的受力更加合理均勻，特別適合于簡(jiǎn)支梁橋的改造。同時(shí)整體結(jié)構(gòu)剛度的提高，使得在地震作用下的樁基彎矩極大，更容易造成樁基破壞。研究結(jié)果可為傳統(tǒng)有縫橋的改造提供參考。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)支梁橋;整體橋;舊橋改造;抗震性能;有限元分析

0 引言

近年來(lái)，整體橋在我國(guó)得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展，新建的整體橋逐漸增多，同時(shí)通過(guò)舊橋改造而成的整體橋也逐漸增多，這主要由于整體橋具有整體性好、耐久性好、行車舒適性及防災(zāi)減災(zāi)能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，是一種符合全壽命周期成本的綠色橋梁[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)修建的傳統(tǒng)有縫橋經(jīng)過(guò)常年汽車荷載的沖擊及路面污泥雜質(zhì)較多等因素影響，容易造成橋梁伸縮縫的堵塞與伸縮裝置的損壞，主梁無(wú)法自由釋放升、降溫荷載引起的伸縮變形，已造成大量傳統(tǒng)有縫橋的嚴(yán)重?fù)p壞，甚至在伸縮縫處引起跳車現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了行車的舒適性和安全性[2-4]。

整體橋完全取消了伸縮縫和伸縮裝置，避免了因伸縮縫與伸縮裝置損壞引起的行車不利問(wèn)題，早已在北美、日本、澳大利亞、歐洲等地區(qū)和國(guó)家得到了廣泛使用[3-5]。整體橋的橋臺(tái)、主梁與樁基整體澆筑在一起，在升、降溫影響下，主梁的伸縮變形主要由臺(tái)下樁基礎(chǔ)承受，然而樁基吸收變形的能力仍是有限的，這使得整體橋無(wú)法修建得很長(zhǎng)。目前國(guó)內(nèi)已建的最長(zhǎng)整體橋?yàn)橛来荷羡啻髽?，總長(zhǎng)128.20 m。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)修建的傳統(tǒng)橋梁主要以中小橋?yàn)橹?，大部分舊橋的伸縮縫與伸縮裝置已出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的破壞，將其改造為整體橋可解決伸縮縫與伸縮裝置問(wèn)題，是改善行車舒適性的有效方法。

當(dāng)前整體橋在樁基-土相互作用、橋臺(tái)-樁基-土相互作用擬靜力試驗(yàn)的研究已大量開(kāi)展，但針對(duì)整體橋在地震荷載作用下的力學(xué)性能研究還不夠完善。為此，本文將基于國(guó)內(nèi)某座傳統(tǒng)有縫橋，將其改造為整體橋，分析兩者在地震荷載作用下的動(dòng)力特性及其抗震性能，為今后抗震區(qū)的舊橋改造工程提供參考。[=XQS（]簡(jiǎn)支梁橋改造前后抗震性能對(duì)比分析/黃香健，韋宗志[=JP2]1 簡(jiǎn)支梁原橋及改造

某簡(jiǎn)支梁橋?yàn)槿玟摻罨炷量招陌辶簶颍靠鐬?6 m，共48 m，橋面寬30.00 m（見(jiàn)圖1）。車輛荷載按汽車-20級(jí)、掛車-100級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主梁采用C50混凝土，下部結(jié)構(gòu)（包括蓋梁、墩、橋臺(tái)、樁基）采用C25混凝土。采用埋置式橋梁，臺(tái)下布置了三根圓形樁基，樁徑為1.0 m，橋墩采用鋼筋混凝土雙柱式圓形橋墩，橋墩直徑為1.0 m，橋墩下布置樁基支承，樁徑為1.2 m。主梁內(nèi)布置了715.2 mm的高強(qiáng)度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，其標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1 860 MPa，彈性模量為Es=1.95×105 MPa。

在簡(jiǎn)支梁橋的基礎(chǔ)上，取消全橋的伸縮縫與伸縮裝置，將橋臺(tái)與主梁整體現(xiàn)澆，同時(shí)墩上縱向相鄰主梁也進(jìn)行整體現(xiàn)澆，形成全無(wú)縫的整體橋（見(jiàn)圖2）。

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

采用Midas Cival 2019軟件分別建立了改造前的簡(jiǎn)支梁橋和改造后的整體橋三維有限元模型。原橋和整體橋的主梁、橋臺(tái)及其下樁基、蓋梁、橋墩均采用梁?jiǎn)卧M，全橋模型采用梁格法建立。主梁按12片梁組成，每片梁通過(guò)虛擬橫梁進(jìn)行連接，橋臺(tái)也采用梁格法建立，也分12片。改造前，縱向相鄰兩片主梁彼此獨(dú)立，支承在橋墩上，主梁端部支承于橋臺(tái)上（見(jiàn)圖3）。改造后，橋墩上的主梁之間現(xiàn)澆形成一個(gè)整體，同時(shí)橋臺(tái)與主梁也現(xiàn)澆形成一個(gè)整體（見(jiàn)圖4）。

2.2 邊界條件及荷載施加

有限元模型中，原橋的主梁與橋臺(tái)采用彈性連接，釋放縱向水平約束DX和繞梁端轉(zhuǎn)動(dòng)RY，而主梁與蓋梁同樣采用彈性連接，僅釋放繞梁端轉(zhuǎn)動(dòng)RY，形成簡(jiǎn)支梁。每片主梁之間采用虛擬橫梁連接模擬濕接縫，同時(shí)釋放虛擬橫梁梁端約束，每片橋臺(tái)也采用虛擬橫梁連接，橋臺(tái)與樁基采用剛性連接。橋墩與蓋梁、橋墩與樁基均采用剛性連接模擬。改造成整體橋后，橋臺(tái)與主梁采用剛性連接，中間主梁與蓋梁采用鉸接，釋放繞梁端轉(zhuǎn)動(dòng)RY，其余約束與原橋相同。

此外，原橋與改造后的整體橋橋臺(tái)均施加了靜止土壓力，同時(shí)整體橋橋臺(tái)還考慮了被動(dòng)土壓力影響，采用僅受壓的非線性土彈簧模擬[7]，樁-土相互作用采用現(xiàn)行的《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363-2019）[8]中的m法進(jìn)行模擬，土體水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m取值為25 000 kN/m4。二期鋪裝荷載以均布荷載4.7 kN/m的形式均勻施加在每一片主梁上，最后將結(jié)構(gòu)自重和二期荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量形式。

2.3 地震時(shí)程函數(shù)

簡(jiǎn)支梁原橋的場(chǎng)地類別為二類，根據(jù)現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[9]，其特征周期在0.4 s，Kobe波的卓越周期在0.2 s左右，峰值加速度的卓越周期為0.4 s，與原橋場(chǎng)地土的特征周期相近，滿足選用條件。根據(jù)模態(tài)分析，改造后橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期約為0.37 s，與Kobe波卓越周期0.4 s相近，故選用Kobe波可得到結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大反應(yīng)。所選Kobe波包括地震記錄最強(qiáng)部分，持續(xù)時(shí)間為25 s，如下頁(yè)圖5所示。

3 時(shí)程結(jié)果分析

3.1 自振特性分析

圖6和圖7分別給出了簡(jiǎn)支梁橋和整體橋第一和第二階模態(tài)。舊橋改造后，整體橋的第一階和第二階振動(dòng)頻率大大提高了，分別是簡(jiǎn)支梁橋的2.55倍和3.82倍，可見(jiàn)整體橋的整體剛度明顯較簡(jiǎn)支梁橋大。簡(jiǎn)支梁橋的第一和第二階均出現(xiàn)了主梁縱向飄移，主梁發(fā)生了落梁現(xiàn)象。而舊橋改造后，整體橋的第一和第二階為橫向側(cè)彎，由于橋臺(tái)與主梁固結(jié)，有效地保護(hù)了主梁的落梁現(xiàn)象，可很好地抵抗地震荷載。

3.2 地震時(shí)程響應(yīng)分析

3.2.1 主梁地震時(shí)程響應(yīng)

圖8對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的梁端縱向位移時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖8可知，簡(jiǎn)支梁橋的主梁縱向變形非常大，最大為57.5 mm，也是出現(xiàn)落梁的原因，改造成整體橋后可以有效約束主梁的縱向變形，最大為0.4 mm，改造后主梁的縱向變形減小了99.3%，表現(xiàn)出更好的抗震性能。

圖9對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的梁端彎矩時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖9可知，簡(jiǎn)支梁橋的梁端彎矩基本為0，這是由于梁端鉸接的緣故。而整體橋由于改造后，橋臺(tái)與主梁固結(jié)，在梁端會(huì)出現(xiàn)較大的彎矩，最大正彎矩為60.5 kN·m，最大負(fù)彎矩為-44.3 kN·m，這也是整體橋區(qū)別與簡(jiǎn)支梁橋的重要受力特征之一。

圖10對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的主梁跨中彎矩時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖10可知，簡(jiǎn)支梁橋的跨中彎矩相對(duì)較整體橋的大。簡(jiǎn)支梁橋最大為29.1 kN·m，整體橋最大為11.5 kN·m，較簡(jiǎn)支梁橋減小了60.5%。由于整體橋主梁與橋臺(tái)固結(jié)，梁端出現(xiàn)了較大負(fù)彎矩，從而使得跨內(nèi)的彎矩值大大減小，主梁的受力更加合理均勻，特別適合于簡(jiǎn)支梁橋的改造。

3.2.2 橋臺(tái)地震時(shí)程響應(yīng)

圖11對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的臺(tái)頂縱向加速度時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖11可知，簡(jiǎn)支梁橋的臺(tái)頂縱向加速度明顯較整體橋大，前者最大為3.0 g，后者最大為0.3 g，改造成整體橋后減小了90%。由于橋臺(tái)與主梁固結(jié)可有效約束臺(tái)頂?shù)募铀俣茸兓?，表現(xiàn)出更好的抗震性能。

圖12對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的臺(tái)頂彎矩時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖12可知，整體橋的臺(tái)頂彎矩極大，最大為28.9 kN·m，簡(jiǎn)支梁橋的臺(tái)頂彎矩很小，最大僅為0.5 kN·m，改造后臺(tái)頂彎矩增加了98.3%，與梁端彎矩相似，主要由于橋臺(tái)與主梁固結(jié)，剛度變大，這同樣也是整體橋區(qū)別于傳統(tǒng)有縫橋受力的重要特征之一。

3.2.3 樁基地震時(shí)程響應(yīng)

圖13對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的樁頂縱向位移時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖13可知，簡(jiǎn)支梁橋的樁頂縱向位移很大，最大達(dá)到39.3 mm，而改造后整體橋的樁頂變形很小，最大僅為3.2 mm，減小了91.9 mm，說(shuō)明橋臺(tái)與主梁的固結(jié)對(duì)樁基的變形有很好的約束作用。

圖14對(duì)簡(jiǎn)支梁橋和整體橋的樁頂彎矩時(shí)程曲線進(jìn)行了比較。從圖14可知，改造前、后樁身最大彎矩值分別為17.4 kN·m、242.1 kN·m，改造后比改造前增大了1 291.4%。由此可知，改造后的整體橋主梁、橋臺(tái)與樁基固結(jié)，結(jié)構(gòu)剛度大大提高，使得在地震作用下樁基彎矩極大，更容易造成樁基破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）舊橋改造后，整體橋的第一階和第二階振動(dòng)頻率大大提高，整體剛度明顯較簡(jiǎn)支梁橋大，可有效保護(hù)主梁的落梁現(xiàn)象，很好地抵抗地震荷載。

（2）改造后整體橋主梁的縱向變形減小了99.3%，表現(xiàn)出更好的抗震性能。

（3）整體橋由于改造后橋臺(tái)與主梁固結(jié)，在梁端會(huì)出現(xiàn)較大的彎矩。

（4）整體橋主梁與橋臺(tái)固結(jié)，梁端出現(xiàn)了較大負(fù)彎矩，使得跨內(nèi)的彎矩值減小，主梁的受力更加合理均勻，特別適合于簡(jiǎn)支梁橋的改造。

（5）由于整體橋橋臺(tái)與主梁固結(jié)可有效約束臺(tái)頂?shù)募铀俣茸兓?，從而表現(xiàn)出更好的抗震性能。

（6）整體橋橋臺(tái)與主梁固結(jié)，剛度變大，使得橋臺(tái)的彎矩也極大地增加。

（7）改造后的整體橋主梁、橋臺(tái)與樁基固結(jié)，結(jié)構(gòu)剛度大大提高，使得在地震作用下樁基彎矩極大，更容易造成樁基破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1]于天來(lái)，周 田，姜立東，等.升溫作用下整體橋臺(tái)臺(tái)后土壓力計(jì)算方法的探討[J].橋梁建設(shè)，2010（1）：29-31，35.

[2]Huntley S A，Valsangkar A J.Field monitoring of earth pressures on integral bridge abutments[J].Canadian Geotechnical Journal，2013，50（8）： 841-857.

[3]Dicleli M.Integral Abutment-Backfill Behavior on Sand Soil- Pushover Analysis Approach[J].Journal of Bridge Engineering，2005，10（3）： 354-364.

[4]Kim W，Laman J A.Integral Abutment Bridge Response under Thermal Loading[J].Engineering Structures，2010，32（6）： 1 495-1 508.

[5]洪錦祥，彭大文.橋臺(tái)剛度對(duì)整體式橋臺(tái)橋梁受力性能的影響研究[J].公路交通科技，2006（1）：77-81.

[6]黃福云，莊一舟，付 毳，等.無(wú)伸縮縫梁橋抗震性能與設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J].地震工程與工程振動(dòng)，2015，35（5）：15-22.

[7]陳寶春，陳國(guó)棟，蘇家戰(zhàn)，等.采用UHPC-RC階梯樁的整體橋試設(shè)計(jì)[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，35（1）：1-8.

[8]JTG D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].