橫向陡坡地形對橋梁地震響應(yīng)的影響

危艷

(廈門大學(xué) 嘉庚學(xué)院 土木工程系，福建 廈門 363105)

近年來，我國公路建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時期，在山區(qū)修建的高等級公路越來越多[1-3]，在較復(fù)雜的地形上修建的橋梁數(shù)量也隨之增加[4-5]。在山嶺重丘區(qū)，許多橋梁的修建不僅是為了跨越河流和溝壑，也有環(huán)保方面的考慮[6]。例如在橫向陡坡的地段修建橋梁，可以避免修建路基進(jìn)行的大量邊坡開挖和對原有植被的破壞，提高大型土建工程的環(huán)境友好性。近年在橫向陡坡地段修建橋梁已經(jīng)成為橋梁布置的一種常見型式[7-8]，因此對此種橋梁進(jìn)行地震分析具有重要意義。

在橫向陡坡地形上修建的橋梁，往往上部是規(guī)則的常規(guī)結(jié)構(gòu)，通常當(dāng)作普通橋梁對待，從而忽視了其下部結(jié)構(gòu)水平剛度的不均衡性。對橫向陡坡橋梁，橋墩水平剛度不一致導(dǎo)致墩頂位移的不同步和上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水平扭轉(zhuǎn)趨勢，很可能出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)脫離[9-12]。此外，橫向陡坡上的雙柱式橋墩由于水平剛度差異大，導(dǎo)致受力向剛度大的一根墩柱集中，很可能導(dǎo)致短柱破壞。近一個世紀(jì)以來，地震反應(yīng)分析方法主要有有靜力法、反應(yīng)譜法和動力時程分析法[13-16]。本文采用動態(tài)時程分析法分析橫向陡坡地形對橋梁地震響應(yīng)的影響。

1 基準(zhǔn)橋模型的建立

1.1 工程概況

本文以某公路橋梁為工程背景，該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。全長180 m，分為左右兩幅，每幅橋凈寬11.25 m。上部結(jié)構(gòu)采用6×30 m PC連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩配樁基礎(chǔ)，自左向右分別為0#臺、1#、2#、3#、4#、5#墩和6#臺。橋型布置如圖1所示(圖中長度單位為cm)，橋梁橫斷面如圖2所示。

圖1 基準(zhǔn)橋縱斷面圖

a)2#墩橫斷面圖 b)3#墩橫斷面圖圖2 基準(zhǔn)橋橫斷面

1.2 基準(zhǔn)橋模型的建立

模型采用有限元程序Midas-Civil進(jìn)行模擬[17]，建立了6跨30 m的T梁模型，主梁、橋墩、蓋梁均采用梁單元模擬，樁土耦合效應(yīng)采用土彈簧進(jìn)行模擬[18-20],如圖3所示。全橋由741個節(jié)點(diǎn)和964個單元組成，如圖4所示。

本模型橫橋向的兩根橋墩高度存在差異，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，如圖5所示。為了了解橫橋向橋墩剛度差異對橋梁地震響應(yīng)的影響程度，建立了橫橋向剛度一致的對比模型，該模型的墩高取基準(zhǔn)模型墩高的平均值，如圖6所示。

圖3 樁土耦合效應(yīng)的模型 圖4 基準(zhǔn)橋計(jì)算模型

圖5 3#橋墩橫斷面(基準(zhǔn)模型) 圖6 3#橋墩橫斷面(對比模型)

2 地震波

為了研究橋梁的地震響應(yīng)規(guī)律，對其輸入3條常用的實(shí)際地震波記錄，分別為El Centro波、Taft波和Loma Prieta波，根據(jù)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，將3條地震波的最大加速度統(tǒng)一調(diào)整為0.05g(g為重力加速度)，地震波的加速度時程如圖7所示。

a)El-Centro地震波時程 b)Taft Lincoln School地震波時程 c)Loma Prieta地震波時程圖7 輸入地震波加速度時程曲線

3 計(jì)算結(jié)果及分析

橋墩的墩頂最大加速度和最大位移是橋梁地震響應(yīng)的重要指標(biāo)，本節(jié)將提取基準(zhǔn)模型和對比模型在相同地震作用下的橋墩墩頂最大加速度和最大位移，并進(jìn)行對比分析。

橫向陡坡地形下的橋梁由于橫橋向橋墩剛度存在差異，在地震作用下會導(dǎo)致橋梁的主梁內(nèi)力和橋墩受力的差異，本節(jié)也將對比基準(zhǔn)模型和對比模型在三種地震波作用下的主梁內(nèi)力和橋墩受力的差異，分析橫向橋墩剛度差異對橋梁內(nèi)力的影響程度。

3.1 縱向地震作用下墩頂?shù)淖畲蠹铀俣群妥畲笪灰?/h3>

由于篇幅所限，只列出墩高差異最大的3#墩的對比結(jié)果。縱向地震作用下3#墩頂最大加速度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 縱向地震作用下3#墩頂最大加速度

從表1可以看出，縱向地震作用下基準(zhǔn)模型的最大加速度大于對比模型，如在El Centro波作用下對比模型的最大加速度僅為基準(zhǔn)模型的59%。基準(zhǔn)模型的高墩的最大加速度大于低墩，如在El Centro波作用下，基準(zhǔn)模型高墩的最大加速度是低墩的135%。說明在縱向地震作用下橫橋向橋墩剛度差異對橋墩的抗震不利。

縱向地震作用下3#墩頂最大位移計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 縱向地震作用下3#墩頂最大位移

從表2可以看出，基準(zhǔn)模型由于高低墩的剛度差異，高墩的最大位移大于低墩，高低墩縱向位移不一致將導(dǎo)致蓋梁的扭轉(zhuǎn)，對蓋梁受力不利。如在El Centro波作用下，基準(zhǔn)模型高墩的最大位移是低墩的181%。基準(zhǔn)模型的最大位移大于對比模型，如在El Centro波作用下對比模型的最大位移僅為基準(zhǔn)模型的81%。說明在縱向地震作用下橫橋向橋墩剛度差異對橋墩的抗震不利。

3.2 橫向地震作用下墩頂?shù)淖畲蠹铀俣群妥畲笪灰?/h3>

由于篇幅所限，只列出墩高差異最大的3#墩的對比結(jié)果。橫向地震作用下3#墩頂最大加速度計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 橫向地震作用下3#墩頂峰值加速度

從表3可以看出，在橫向地震作用下基準(zhǔn)模型高墩的最大加速度和低墩差別不大。基準(zhǔn)模型的最大加速度大于對比模型，如在El Centro波作用下對比模型的最大加速度僅為基準(zhǔn)模型的78%，說明在橫向地震作用下橫橋向橋墩剛度差異對橋墩的抗震不利。

橫向地震作用下3#墩頂最大位移計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 橫向地震作用下3#墩頂最大位移

從表4可以看出，在橫向地震作用下基準(zhǔn)模型的高墩的最大位移和低墩差別不大。基準(zhǔn)模型的最大位移小于對比模型，如在El Centro波作用下對比模型的最大位移為基準(zhǔn)模型的127%。

3.3 主梁內(nèi)力

3.3.1 縱向地震作用下主梁內(nèi)力

堅(jiān)持改革開放，是新時代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會主義的基本方略之一。習(xí)近平總書記指出：“推進(jìn)改革的目的是要不斷推進(jìn)我國社會主義制度自我完善和發(fā)展，賦予社會主義新的生機(jī)活力。這里面最核心的是堅(jiān)持和完善黨的領(lǐng)導(dǎo)、堅(jiān)持和完善中國特色社會主義制度，偏離了這一條，那就南轅北轍了。”[注]《習(xí)近平全面深化改革論述摘編》，第18頁。堅(jiān)持黨對改革開放的領(lǐng)導(dǎo)，發(fā)揮好黨總攬全局、協(xié)調(diào)各方的作用，不是空洞的、抽象的，而是要把加強(qiáng)黨對一切工作的領(lǐng)導(dǎo)貫穿改革各方面和全過程。

在縱向地震作用下，對于El Centro、Taft、Loma Prieta三種地震波作用下主梁內(nèi)力得出的結(jié)果一致，限于篇幅，只列出El Centro地震波作用下橋梁跨中單元的內(nèi)力，見表5、6。

表5 El Centro波縱向地震作用下基準(zhǔn)模型主梁內(nèi)力

表6 El Centro波縱向地震作用下對比模型主梁內(nèi)力

從表5、6的對比可以看出，基準(zhǔn)模型的軸向力從1#梁到5#梁逐漸增大，這是由于1#梁靠近矮墩側(cè)，由于橋墩剛度大，主梁分擔(dān)的力更小，而對比模型軸向力分布很均勻。基準(zhǔn)模型的主梁所受的剪力大于對比模型，對比模型的內(nèi)力分布更為均勻。

3.3.2橫向地震作用主梁內(nèi)力

在橫向地震作用下，對于El Centro、Taft、Loma Prieta三種地震波作用下主梁內(nèi)力得出的結(jié)果一致，限于篇幅，只列出El Centro地震波橋梁跨中單元的內(nèi)力，見表7、8。

從表7、8的對比可以看出，在橫向地震作用下，基準(zhǔn)模型和對比模型內(nèi)力相差不大，內(nèi)力分布規(guī)律一致，橫向地震作用下主梁的受力沒有明顯差異。

表7 El Centro波橫向地震作用下基準(zhǔn)模型主梁內(nèi)力

表8 El Centro波橫向地震作用下對比模型主梁內(nèi)力

3.4 橋墩內(nèi)力

對于橋墩的內(nèi)力，主要對比橋墩墩底的內(nèi)力情況，分析橋墩橫向剛度差異對橋墩內(nèi)力的影響程度。在縱向地震作用下，對于El Centro、Taft、Loma Prieta三種地震波作用下橋墩墩底的內(nèi)力得出的結(jié)果一致，限于篇幅，只列出El Centro地震波橋墩墩底內(nèi)力。

3.4.1 縱向地震作用橋墩內(nèi)力

表9 El Centro波縱向地震作用下基準(zhǔn)模型墩底內(nèi)力

表10 El Centro波縱向地震作用下對比模型墩底內(nèi)力

從表9、10的對比可以看出，基準(zhǔn)模型的矮墩的剪力明顯大于高墩，橫橋向剛度差異將導(dǎo)致矮墩受力不利，容易發(fā)生剪切破壞。對比模型橫向兩墩的剪力分布很均勻。基準(zhǔn)模型的矮墩的縱向彎矩也要明顯大于高墩。

3.4.2 橫向地震作用橋墩內(nèi)力

對于El Centro波，在橫向地震作用下，橋墩墩底內(nèi)力見表11、12。

表11 El Centro波橫向地震作用下基準(zhǔn)模型墩底內(nèi)力

表12 El Centro波橫向地震作用下對比模型墩底內(nèi)力

從表11、12的對比可以看出，橫向地震作用下，基準(zhǔn)模型的矮墩的剪力明顯大于高墩，橫橋向剛度差異導(dǎo)致矮墩受力不利，容易發(fā)生剪切破壞。對比模型橫向兩墩的剪力分布很均勻。基準(zhǔn)模型的矮墩的縱向彎矩也要明顯大于高墩。

4 結(jié)語

本文以某公路橋梁為工程背景，以其有限元模型為基準(zhǔn)模型，對橫向陡坡地形下和常規(guī)地形下雙柱墩梁橋的地震反應(yīng)進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明：橫向橋墩剛度差異會放大橋梁的最大加速度，對橋墩的抗震不利；基準(zhǔn)模型高墩的最大位移大于低墩，高低墩縱向位移不一致將導(dǎo)致蓋梁的扭轉(zhuǎn)，對蓋梁受力不利；橫向橋墩剛度差異對主梁的受力將產(chǎn)生不利影響；矮墩的剪力明顯大于高墩，橫橋向剛度差異將導(dǎo)致矮墩受力不利，容易發(fā)生剪切破壞。所以必須對橫向陡坡地形上橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)研究，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。