墩身傾角變化對V腿連續剛構橋地震響應的影響

李 寧

(蘇交科集團股份有限公司 南京 210017)

與相同跨徑的連續剛構橋相比，預應力混凝土V腿連續剛構橋由于其特有的V腿支撐體系，使其在跨徑、橋梁結構形式、工程造價、受力、結構剛度等方面有很大優勢[1-2]。本文為研究橋墩傾角變化對地震響應的影響程度，選取某預應力混凝土V形墩連續剛構橋作為研究對象，重點分析墩身傾角變化對預應力混凝土V形墩連續剛構橋在地震作用下其結構位移和內力的影響，以期為此類V形墩連續剛構橋的設計工作提供參考和基礎性數據。

1 工程概述

某預應力混凝土V形墩連續剛構橋，主梁為單箱單室截面箱梁結構，箱梁頂板寬11.0 m、底板寬6.6 m，梁兩側的翼緣板懸臂長度為2.2 m；橋墩處梁高5.5 m，主跨跨中和邊跨端部梁高均為2.7 m，梁體高度按圓弧變化。

橋墩采用V腿支撐體系，斜腿與順橋向的夾角為55°，兩斜腿夾角70°，斜腿高10.5 m，截面為實心矩形，截面尺寸為6.6 m×1.5 m，斜腿寬度與主梁箱梁底寬相同，斜腿與主梁連接處按圓弧過渡，基礎采用群樁基礎。全橋總體布置立面圖見圖1。

圖1 全橋總體布置立面圖(單位：mm)

2 計算模型

采用midas Civil建立全橋的三維有限元計算模型，主梁、V腿和承臺均采用梁單元模擬，主梁與V形墩頂和V形墩底與墩座的連接通過軟件中自帶的剛性連接來考慮，不考慮邊支座剛度[3]。模型由143個節點、134個單元、38個截面組成，全橋的有限元計算模型見圖2。

圖2 V腿連續剛構橋有限元計算模型

3 確定地震反應譜及工況

3.1 地震反應譜計算方法

目前，V腿預應力混凝土連續剛構橋采用地震反應譜進行抗震設計時主要包括以下步驟。

1) 根據橋梁所處的地址的強震記錄統計來模擬出該橋抗震設計所需的地震反應譜。

2) 在已知的地震作用下，對結構振動方程的振型分解，得到體系的位移、速度及加速度中的某個最大反應量與自振周期的關系曲線，用振型廣義坐標表示，由第一步中反應譜計算得到的數值為關系曲線廣義坐標的最大值。

3) 通過反應譜計算常用的組合方法，將各振型響應最大值按一定方法組合來計算反應最大值。

通過反應譜的計算可知，橋梁結構在每個振型下反應最大值具有一定的隨機性，反應譜計算需考慮不同振型下最大值的組合方式。midas Civil有限元軟件中自帶4種反應譜組合計算方法，分別為完整二次項組合的CQC法、平方和開方SRSS法、絕對值求和的ABS計算方法、將各振型下作用效應直接求和的線性計算方法。采用midas Civil軟件中進行反應譜組合計算時，中小跨度橋梁的串聯多自由度等體系周期相差較遠，故采用SRSS方法組合；需要考慮平移-扭轉耦連振動等振型密集型的大跨度橋梁采用CQC方法組合。

3.2 確定橋梁所需地震反應譜

該V腿預應力混凝土連續剛構橋址處地震基本烈度為VII度，設計地震分組為2組，場地類別為II類場地，水平向設計基本地震加速度峰值為0.15g，設計特征周期為0.4 s，阻尼比0.05，采用多遇地震作用下設計反應譜作為地震動輸入，得到設計反應譜函數曲線見圖3。計算時選取了結構前100階振型，采用CQC法進行振型疊加，地震動3個方向的振型參與質量之和均在94%以上，滿足結構要求的計算精度。

圖3 反應譜函數曲線

4 地震響應分析

為了更好地研究墩身傾角變化幅度對橋梁整體結構地震響應的影響，本文在不改變結構其他條件的前提下，僅改變墩身傾角(斜腿中心線與豎向線交角)，分別建立3個模型：模型1(墩身傾角為25°)、模型2(墩身傾角為35°)、模型3(墩身傾角為45°)，對這3個模型進行地震計算時，荷載工況為縱向地震+橫向地震+50%的豎向地震[4]，不考慮地震動輸入的角度問題，對比墩身傾角變化對橋梁結構地震作用下的位移和內力的影響。

4.1 墩身傾角變化對對橋梁結構位移的影響

由于結構的對稱性，故選取關鍵截面時僅選取左半跨。通過對模型分析，在地震作用下，該橋各關鍵截面的縱向、橫向、豎向位移變化規律見表1～表3。

表1 結構各關鍵截面的縱向位移 cm

由表1可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面和橋墩墩頂縱向位移變化不大，變化幅度不到1%。

表2 結構各關鍵截面的橫向位移 cm

由表2可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面橫向位移呈增大趨勢，但變化幅度較小，不到2%；V腿預應力混凝土連續剛構橋橋墩墩頂橫向位移呈減小趨勢，變化幅度在3%左右。

表3 結構各關鍵截面的豎向位移 cm

由表3可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面豎向位移基本呈減小趨勢，變化幅度在3.5%左右；V腿預應力混凝土連續剛構橋橋墩墩頂橫向位移呈增大趨勢，變化幅度在30%左右。

綜合位移分析來看，墩身傾角從25°變化至45°，對V腿預應力混凝土連續剛構橋縱向和橫向位移影響較小，對豎向位移影響較大，且隨墩身傾角變化V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面豎向位移基本上呈減小趨勢，橋墩墩頂橫向位移呈增大趨勢。因此，在此類V腿預應力混凝土連續剛構橋設計中墩身傾角度取值較大時，可有效減小主梁的跨度，從而對該類V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面的豎向位移有利。

4.2 墩身傾角變化對橋梁結構內力的影響

通過對有限元模型分析可知，在地震作用下，該V腿預應力混凝土連續剛構橋各關鍵截面的內力變化規律見表4～表6。

表4 結構各關鍵截面的軸力值 kN

由表4可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁邊跨和中跨跨中截面處的軸力呈減小趨勢，變化幅度為5.5%左右，墩頂主梁截面處的軸力呈增大趨勢，其中，變化幅度為20%； V墩墩頂軸力呈減小趨勢，變化幅度均在14%左右，V墩底部軸力呈減小趨勢，變化幅度均為在6%左右。

表5 結構各關鍵截面的剪力值 kN

由表5可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁和墩頂主梁截面處剪力呈減小趨勢，變化幅度在30%左右，V腿預應力混凝土連續剛構橋邊跨和中跨跨中截面處的剪力變化幅度較小，不到2%；V墩墩頂和墩底處剪力呈增大趨勢，墩頂變化幅度為19%左右，V墩底部剪力幾乎不受影響。

表6 結構各關鍵截面的彎矩值 kN·m

由表6可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面處彎矩呈減小趨勢，變化幅度在10%～15%之間；V墩墩頂彎矩呈增大趨勢，變化幅度在30%左右，V墩底部彎矩呈減小趨勢，但變化幅度不大，在2%左右。

綜合內力分析來看，墩身傾角從25°變化至45°時，對V腿預應力混凝土連續剛構橋0號塊處的主梁截面的軸力和剪力影響最大，墩身傾角度取值較大時，對V腿預應力混凝土連續剛構橋的主梁邊跨和中跨跨中的軸力最有利，對0號塊處的主梁截面的剪力最有利；對V腿預應力混凝土連續剛構橋V墩墩頂彎矩影響較大，墩身傾角角度取值較小時，對V墩墩頂彎矩最有利。

5 墩身傾角變化對不同跨徑橋梁結構內力的影響

選取80 m+120 m+80 m跨徑進行有限元分析，墩身傾角從25°變化至45°時，V形墩傾角越大，上部結構主梁的計算跨徑越小。不同V形墩傾角下主梁內力變化值見表7。

表7 結構各關鍵截面的彎矩值 kN·m

由表7可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面處彎矩呈減小趨勢；V墩墩頂彎矩呈增大趨勢，V墩底部彎矩呈減小趨勢。各關鍵截面內力變化幅度與主跨100 m跨徑的關鍵截面內力變化幅度相差不大。

6 結論

1) 墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁各關鍵截面處的豎向位移基本呈減小趨勢，橋墩墩頂橫向位移呈增大趨勢，且墩身傾角變化對豎向位移影響較大。

2) 墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預應力混凝土連續剛構橋墩頂主梁截面處的軸力呈增大趨勢，剪力呈減小趨勢，對0號塊處的主梁截面的軸力和剪力影響最大；隨墩身傾角變化，V墩墩頂彎矩呈增大趨勢，墩身傾角變化對V墩墩頂彎矩影響較大。

3) 墩身傾角從25°變化至45°時，對不同跨徑V腿預應力混凝土連續剛構橋主梁內力影響趨勢相同，對中跨跨中截面彎矩影響幅度隨著跨徑的增大而增大。

因此，在進行此類V腿墩橋梁抗震設計時需要從位移和內力等方面綜合考慮墩身傾角變化對結構地震響應的影響，選取合理的墩身傾角以提高此類橋梁的抗震性能。