大跨度小半徑曲線連續梁橋地震響應分析

何建棟

(蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210017)

現代有軌電車線路靈活，對城市道路適應性強，為跨越城市快速路或重要構筑物常常會出現大跨度小半徑曲線橋。

大量橋梁震害表明，橋梁支承連接部位損害嚴重，抗震總體設計時應加以重視，應選擇較理想的抗震結構體系。對于大跨度小半徑曲線橋可選的結構體系有連續梁橋、連續剛構橋及剛構-連續組合梁橋[1-6]。剛構-連續組合梁橋一般將中間墩采用墩梁固結形成剛構，邊部設置支座形成連續梁，這種結構形式兼有連續梁橋和剛構橋兩者的優點，在受力和使用性能上有一定的優勢[7-10]。

大跨度小半徑曲線橋由于平面曲線半徑小、跨度大等因素使橋梁地震動力響應變得復雜[11-12]。為選擇較理想的抗震結構體系，本文以一有軌電車線路特大橋為背景，主要研究不同結構體系的曲線梁橋的地震響應，采用反應譜法對不同結構體系的曲線梁橋在地震作用下的內力和位移進行分析。

1 工程概況

一段現代有軌電車線路受地形、地面建筑及規劃條件所限，在高架段只能以半徑R=200 m的曲線形式通過。該段線路設計速度為70 km/h，現代有軌電車設計活載的最大軸重為12.5 t。

該橋為跨繞城公路而設(見圖1)，主跨為60 m，主梁采用預應力混凝土變高箱梁，典型斷面見圖2，全聯結構均位于圓曲線上。受規劃條件限制，兩邊跨分別為33.5 m和36.5 m。另外15#墩比16#墩高6 m，且15#墩有約4 m自由樁長，兩主墩剛度相差較大(16#墩剛度是15#墩的4.3倍)，導致本橋嚴重不對稱，故選擇合適的結構體系對該橋抗震是至關重要的。

圖1 橋梁總體布置(單位：m)

圖2 橋梁典型斷面(單位：cm)

通過計算，由于16#墩較低，采用連續剛構橋時，溫度影響太大，16#墩受力不能滿足規范要求，故針對連續梁橋和剛構-連續組合梁橋2種方案進行研究。

2 有限元模型

為準確分析該橋的地震響應，采用MIDAS/Civil建立全橋有限元模型，主梁、橋墩及基礎均采用梁單元模擬，固定支座采用線性約束處理，活動支座采用恢復力模型模擬，樁基約束采用非線性彈簧模擬。

為選擇較為理想的結構體系，針對連續梁橋和剛構-連續組合梁橋進行地震響應分析。結合該橋特點，建立3個模型進行深入分析:模型1,固定支座設置在16#墩處的連續梁橋模型；模型2,16#墩采用墩梁固結，15#墩設置活動支座的剛構-連續組合梁橋模型；模型3,15#墩采用墩梁固結，16#墩設置活動支座的剛構-連續組合梁橋模型。模型2與模型3主要區別在于2個橋墩的剛度。

3 橋梁動力特性

從抗震設計角度分析，曲線橋由于“彎扭耦合”，將產生面內振型和面外振型的耦合。在縱向地震作用下，該類橋梁主墩將產生較大的橫向剪力、扭矩和橫向彎矩。在橫向地震作用下，主墩將產生較大的縱向剪力、扭矩和縱向彎矩。

橋梁前10階自振頻率及振型計算結果見表1。可知：模型1和模型2前10階振型略有差異;從前3階看，模型2橫向累計參與質量較多，縱向較少；模型3與前2個模型有較大的差異。模型3結構更柔，第1階自振周期較大，前2階振型均發生在15#墩上，且產生內彎。在地震作用下，15#墩會優先承受縱橫向彎矩和扭矩，對結構抗震不利。

表1 橋梁前10階自振頻率及振型

4 地震響應分析

橋址區地震動峰值加速度為0.1g，地震基本烈度為7度，特征周期Tg=0.35 s。本橋位于半徑為200 m圓曲線上，地震激勵角分別為0°，22.5°，45°，67.5°，90°，112.5°，135°，157.5°，180°,取E1水平設計加速度反應譜對地震響應進行計算[13-14]。

4.1 內力響應

控制截面內力一般位于橋墩底部，針對不同激勵角度，15#，16#墩底彎矩和扭矩分別進行計算，計算結果分別見圖3和圖4。

圖3可知:3個模型橫向彎矩基本相當，縱向彎矩差異較大。模型1(連續梁)縱向彎矩最大，達到18 930 kN·m，為最不利情況;模型2(16#墩固結)與模型3(15#墩固結)縱向彎矩基本相當。

圖3 墩底縱橫向彎矩變化曲線

圖4 墩底扭矩變化曲線

圖4可知:在激勵角為67.5°時扭矩值達到最大，3個模型變化規律基本一致。模型1(連續梁)最大，模型2(16#墩固結)次之，模型3(15#墩固結)最小。

從內力響應分析，彎矩變化規律基本與剪力變化規律一致，模型1(連續梁)屬于最不利情況，且需要設置一組抗震性能要求較高的固定支座。模型2(16#墩固結)相比模型3(15#墩固結)受力狀態較好。

4.2 位移響應

位移控制一般位于整聯結構的跨中，不同激勵角時計算結果見圖5。由圖可知:縱橫向位移均以模型3(15#墩固結)最大，模型1(連續梁)次之，模型2(16#墩固結)最小。

圖5 中跨跨中縱橫向位移變化曲線

從位移響應分析，模型3(15#墩固結)由于15#墩橋墩較柔，位移響應較大，對軌道結構不利;模型1(連續梁)雖固定支座設置在16#橋墩上，遠離固定支座端位移達到23 mm，對軌道結構不利;模型2(16#墩固結)最不利位置位移約13 mm，位移控制較好，為較為有利的模型。

5 結論

不同的結構體系對于曲線連續結構橋梁的自振特性有較大的影響。采用連續梁結構體系，墩梁通過支座連接，在地震動作用下支座易損壞，整個結構穩定性較差[15]。在主墩剛度相差較多的情況下，連續剛構體系適應性較差，采用剛構-連續組合的曲線梁橋可以獲得較好的內力響應及位移響應，有利于橋梁的抗震。

由于大跨度、小曲線梁橋的復雜性，從該現代有軌電車大橋地震響應得出，位移響應最大時和內力響應最大時分別對應不同的激勵角度，所以在考慮水平地震作用的時候，應按不同的激勵角度進行分析。對剛構-連續組合曲線梁橋采用固結剛度較大的橋墩，可以提高整個橋梁的剛度，減少整體的位移，增加橋梁的穩定性。

總體上來說，在橫橋向地震波激勵下大跨度、小曲線梁橋橫向位移、扭矩和橫向彎矩最大，但同時也會產生較大的縱向位移和縱向彎矩。在順橋向地震波激勵下該類橋梁縱向位移和縱向彎矩最大，但同時也會產生較大的橫向位移和橫向彎矩。