橫向陡坡地形矮高墩梁橋地震反應(yīng)參數(shù)分析

危艷

廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院，福建 廈門 363105

0 引言

近年來，我國加快推進(jìn)西部山區(qū)高速公路和鐵路建設(shè)，在山區(qū)修建的高等級道路越來越多。在橫向陡坡地形上，通常采用大高差橋墩以適應(yīng)不利地形，避免生態(tài)破壞，降低工程成本[1-3]。這些橋梁一般上部是連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋等規(guī)則的常規(guī)結(jié)構(gòu)，通常被當(dāng)作普通橋梁對待，對于橋墩只提取豎向力和彎矩進(jìn)行單墩承載力和穩(wěn)定性驗算，忽視了矮、高墩水平剛度的不均衡性可能引發(fā)的扭轉(zhuǎn)等問題。橫向陡坡地形上橋梁的橋墩水平剛度不一致，可能引起墩頂位移的不同步和上部結(jié)構(gòu)的水平扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致主梁結(jié)構(gòu)破壞[4-10]。本文采用動態(tài)時程法分析橫向陡坡地形矮、高墩對橋梁地震響應(yīng)的影響。

1 模型建立

某山區(qū)橋梁橋面寬12.25 m，上部結(jié)構(gòu)采用6 ×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、樁基礎(chǔ)，橋型布置如圖1所示(圖中單位為cm)。

圖1 梁橋縱斷面圖

橋梁橫橋向的2根橋墩存在高度差，1#、5#橋墩的高墩高8 m，矮墩高4 m。2#、3#、4#橋墩的高墩高20 m，矮墩高10 m。采用Midas-Civil建立此連續(xù)梁橋的有限元模型(陡坡模型)如圖2所示，3#橋墩橫斷面模型如圖3所示。對比模型的墩高取陡坡模型平均墩高，如圖4所示。

圖2 陡坡模型 圖3 3#橋墩橫斷面(陡坡模型) 圖4 3#橋墩橫斷面(對比模型)

2 指標(biāo)選取

此橋所在地區(qū)的場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為6度，基本地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。選取El Centro波、Taft波和Loma Prieta波等3條常用的實際地震波[11-14]，并將加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.05g，位移時程也作相應(yīng)調(diào)整。通過模型計算，在3種波作用下基準(zhǔn)模型和對比模型的墩頂位移、橋墩剪力、墩底彎矩時程曲線如圖5～7所示(僅展示3#墩墩頂縱向位移時程曲線)。

a)基準(zhǔn)模型 b) 對比模型圖5 El Centro波作用下3#橋墩墩頂縱向位移時程曲線

a)基準(zhǔn)模型 b) 對比模型圖6 Taft波作用下3#橋墩墩頂縱向位移時程曲線

a)基準(zhǔn)模型 b) 對比模型圖7 Loma Prieta波作用下3#橋墩墩頂縱向位移時程曲線

基準(zhǔn)模型和對比模型的墩頂最大位移、橋墩最大剪力、墩底最大彎矩及基準(zhǔn)模型與對比模型的對應(yīng)參數(shù)比如表1～6所示(以墩高差最大的3#墩為例)。

表1 縱向地震作用下3#橋墩墩頂?shù)淖畲罂v向位移及最大縱向位移比

表2 橫向地震作用下3#橋墩墩頂?shù)淖畲髾M向位移及最大橫向位移比

表3 縱向地震作用下3#橋墩最大縱向剪力及最大縱向剪力比

表4 橫向地震作用下3#橋墩最大橫向剪力及最大橫向剪力比

表5 縱向地震作用下3#橋墩墩底最大縱向彎矩及最大縱向彎矩比

表6 橫向地震作用下3#橋墩墩底最大橫向彎矩及最大橫向彎矩比

由表1～6可以看出：橋墩橫向剛度差異對墩頂最大位移、橋墩最大剪力、墩底最大彎矩的影響較大，對比模型和基準(zhǔn)模型各參數(shù)的最大比值均超過15%。選取這3個較為敏感的指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)分析，探討橋墩橫向剛度差異對地震響應(yīng)的影響規(guī)律。

3 參數(shù)分析

墩頂位移、橋墩剪力、墩底彎矩均與橋墩的剛度有關(guān)，故選取矮、高墩的剛度比作為參數(shù)進(jìn)行分析[15-20]。

為了研究矮、高墩剛度比對敏感參數(shù)的影響程度，調(diào)整3#橋墩的矮、高墩剛度比例：固定矮墩的高度為10 m，將高墩高度依次調(diào)整為10、12、14、16、18、20 m，橋墩線剛度與墩高的3次方成反比，故矮、高墩的剛度比分別為1.00、1.73、2.74、4.10、5.83、8.00。

1)墩頂位移

在3種波作用下，3#橋墩的矮、高墩墩頂位移隨矮、高墩剛度比的變化曲線如圖8所示。

a)縱向地震 b) 橫向地震圖8 橫、縱向地震作用下3#橋墩墩頂位移隨剛度比的變化曲線

由圖8a)可知：高墩的縱向位移隨矮、高墩剛度比的增大逐漸增大，剛度比為1.00～3.00時增長速率較大，隨后增長速率變小。因剛度不變，矮墩位移變化較小，矮、高墩的縱向位移差隨剛度比的增大而增大，即矮、高墩在縱向趨于不同步，蓋梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。因高墩的剛度隨矮、高墩剛度比的增大而減小，矮墩的剛度不變，其總剛度減小，故在橫向地震作用下，隨著剛度比的增大，矮、高墩的橫向位移增大，矮、高墩的橫橋向位移相差不大，趨于同步，如圖8b)所示。

2)橋墩剪力

在3種波作用下，3#橋墩的剪力隨矮、高墩剛度比的變化曲線如圖9所示。

由圖9a)可知：高墩所承擔(dān)的剪力隨矮、高墩剛度比的增大而逐漸減小，剛度比為1～3時減小速率較大，隨后減小速率變小。由于剪力在矮、高墩之間是按剛度分配的，故矮墩剪力逐漸增大。由圖9b)可知：在橫向地震作用下，橋墩橫向剪力隨剛度比變化趨勢與縱向地震作用下縱向剪力變化趨勢一致，但橫向地震作用下橋墩的橫向剪力大于縱向地震作用下橋墩的縱向剪力。

a)縱向地震 b) 橫向地震圖9 橫、縱向地震作用下3#橋墩剪力隨剛度比的變化曲線

3)墩底彎矩

在3種波作用下，3#墩的矮、高墩墩底彎矩隨矮、高墩剛度比的變化曲線如圖10所示。

a)縱向地震 b) 橫向地震圖10 橫、縱向地震作用下3#橋墩墩底彎矩隨剛度比的變化曲線

由圖10a)可知：高墩的彎矩隨矮、高墩剛度比的增大逐漸減小，剛度比為1～3時減小速率較大，隨后減小速率變小。由于彎矩在矮、高墩之間是按剛度分配的，故矮墩彎矩逐漸增大。由圖10b)可知：在橫向地震作用下，橋墩橫向彎矩隨剛度比變化趨勢與縱向地震作用下縱向彎矩的變化趨勢一致。

4 結(jié)語

對某山區(qū)雙柱墩梁橋在橫向陡坡地形和常規(guī)地形下的地震反應(yīng)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)橋墩橫向剛度差對墩頂位移、橋墩剪力、墩底最大彎矩的影響較大。分析了橫向陡坡地形下雙柱墩梁橋在不同矮、高墩剛度比情況下的地震響應(yīng)，結(jié)果表明：高墩位移隨矮、高墩剛度比的增大而逐漸增大，剪力和彎矩逐漸減??；矮墩的位移逐漸減小，剪力和彎矩逐漸增大；矮、高墩在縱向的位移差隨剛度比的增大而增大，即矮、高墩在縱向位移趨于不同步，蓋梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)。因此須對橫向陡坡地形上的橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計研究，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。