減隔震曲線折梁橋地震反應分析

秦洪果，張展宏

（1.大連市市政設計研究院有限責任公司西北分公司，甘肅 蘭州 730030；2.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引 言

西部山區橋梁除橫、縱向不規則外，為滿足公路運營技術要求，橋梁修建服從路線的需要，曲線梁橋數量也較多[1]。目前設計施工大多采用預制直梁安裝后由簡支直梁變為連續折梁的方式。對半徑較小的曲線梁橋一般情況是：墩臺軸線沿徑向布置，墩臺帽等寬，通過調整跨內各梁的不同長度來滿足曲線橋布設需要；也有各梁長度相同，通過調整墩臺寬度或梁間距的布設形式（半徑較大）。

從2008年汶川地震的百花大橋、回瀾立交橋等的震害情況，可見曲線梁橋在歷次地震中都表現出較高的易損性[2]。同時國外學者一般認為曲線梁橋反應較復雜。周緒紅等[3]認為鉛芯橡膠支座具有很好的減隔震效果，在多維地震荷載作用下，曲線箱梁橋的受力則更為不利。陳樹剛等[4]研究了曲率半徑變化對曲線梁橋粘滯阻尼器減震效果的影響，為粘滯阻尼器在不同半徑曲線梁橋上的應用提供建議。夏修身等[5]發現輸入地震動維數引起的耦合效應對隔震曲線橋梁的地震反應有重要影響。王煦等[6]研究了采用直梁法、梁格法和多段直梁法建立的各種斜交橋分析模型的適用范圍，發現碰撞可增大裝有FPS支座的曲線橋中跨橋墩地震響應，而對邊跨橋墩地震響應幾乎無影響。本文以常見的2座不同曲率半徑的山區曲線折梁橋為例，分析了其振動特性，以及在三維地震動下減隔震曲線折梁橋的地震反應特點。

1 工程概況

1.1 橋梁結構概況

以 1座大半徑曲線橋 （（5×20+5×20）m，R=500 m）和 1座小半徑曲線橋（（3×20+3×20）m，R=100 m）為工程背景。兩座橋的上部結構和下部結構截面、配筋一致，主梁為5片梁間距3.1 m的預制小箱梁，橋梁每孔兩端分別設置一道端橫梁，均沿徑向設置。下部結構為鋼筋混凝土等截面實心排架墩（直徑1.4 m）。橋梁立體圖和主梁平面圖分別見圖1和圖2所示。

圖1 大半徑曲線折梁橋示意圖（R=500 m）

1.2 減隔震設計方案

在橋臺和橋墩伸縮縫處采用滑板支座，其他橋墩處采用鉛芯橡膠支座。支座的力學特性見表1所列。

圖2 小半徑曲線折梁橋示意圖（R=100 m）

表1 橋梁支座力學特性一覽表

分析時采用了兩種隔震方式：一是沿橫橋向（徑向）和縱橋向（切向）的雙向隔震；二是僅沿縱橋向（切向）隔震。

1.3 計算模型和地震動輸入

圖1所示的大半徑曲線橋各橋墩臺軸線平行布置，跨內各梁長度相等，墩臺帽寬度相等。圖2所示的小半徑曲線橋各橋墩臺軸線沿徑向布置，墩臺帽等寬，通過調整跨內各梁的不同長度來滿足曲線橋布設需要。

應用結構分析軟件SAP2000進行非線性時程反應分析，橋梁結構的阻尼比取5%，并采用瑞利阻尼，梁體和墩柱采用Frame單元模擬，橡膠支座采用Bouc-Wen非線性連接單元模擬；為模擬塑性鉸的非線性力學行為，在橋墩底部設置非線性彈簧單元，該單元的滯回特征采用Takeda模型模擬，不考慮樁-土-結構的相互作用，即在墩底固結。

選擇Chi-Chi地震中具有速度脈沖特性（向前方向性效應和滑沖效應）的3條地震動記錄，對隔震曲線折梁橋進行三維激勵。地震動信息見表2所列。輸入時，縱橋向（切線方向）加速度峰值調整為0.4 g，其他方向按相同比例調整。

2 動力特性分析

采用計算模型，首先進行結構動力特性分析。表3和表4為結構前5階的自振周期和三個方向的質量參與系數(兩個水平方向、一個扭轉豎向)。可以看出：曲線折梁橋的振動模態具有平扭耦合振動的特點（如第3振型），曲率半徑越小則橋梁的平扭耦合振動越顯著。

表2 地震動記錄一覽表

表4 小半徑曲線折梁橋自振特性一覽表(R=100 m)

3 山區曲線折梁橋減隔震反應特性

3.1 大半徑（R=500 m）曲線折梁橋地震反應

3.1.1 雙向隔震

沿縱橋向(切向)和橫橋向(徑向)都進行隔震，在近斷層地震動作用下，主梁、橋墩和支座的地震反應分別見表5、表6和表7所列。可以看出：

（1）主梁位移縱橋向基本一致，在0.18 m左右；橫橋向位移有所差異。

（2）縱橋向橋墩的最大側移角發生在較高墩處(4#和 6#墩，12 m)，最大約 1.13%；最高墩(5#墩)上設置滑板支座，位移相對較小，側移角為0.85%；橫橋向橋墩系雙柱式排架，剛度較縱橋向大，側移角基本都小于0.21%。

表5 梁體位移表（R=500 m） m

表6 橋墩位移表（R=500 m） cm

表7 支座位移表（R=500 m） m

（3）最矮墩(1#和9#)處支座的縱橋向位移最大，其剪應變接近1.0；支座橫橋向變形趨于一致，其剪應變在0.96左右；支座處于安全狀態。

3.1.2 單向隔震

沿縱橋向(切向)進行隔震、橫橋向（徑向）不隔震并假定由擋塊構成限位，在近斷層地震動作用下重新計算了主梁、橋墩和支座的地震反應。主要發現是主梁縱橋向位移，橋墩縱橋向側移角和隔震支座縱橋向的剪應變等變化不是很大，僅有很小的增加。是橋墩橫橋向位移確放大了3倍（仍小于縱橋向），因橫橋向未隔震，這樣的結果是可以想見的。

3.1.3 豎向地震反應

減隔震橋梁設計一般要求支座不能承受拉力，而曲線折梁橋靜力下彎扭耦合和動力下平扭耦合的振動特點都可能會導致其支座發生受拉。因此討論了含豎向三維地震動作用下支座的受力狀態。時程分析表明：其承受壓力變化范圍可以達到25%以上，支座皆處于受壓狀態。

3.2 小半徑（R=100 m）曲線折梁橋地震反應

3.2.1 雙向隔震

雙向隔震下在近斷層地震動作用下，主梁、橋墩和支座的地震反應分別見表8、表9和表10所列。可以看出：

（1）左聯縱橋向主梁位移在0.26 m左右，右聯在0.235左右；橫橋向位移基本都小于0.23 m。

（2）縱橋向橋墩的最大側移角發生在較高墩處（2#和4#墩，12 m），最大約1.53%；最高墩（3#墩）上設置滑板支座，位移相對較小，側移角為0.86%；橫橋向橋墩系雙柱式排架，剛度較縱向大，側移角基本都小于0.52%。

（3）縱橋向支座剪應變小于1.0，橫橋向基本小于1.1；支座處于安全狀態。

表8 梁體位移表（R=100 m） m

3.2.2 單向隔震

沿縱橋向（切向）進行隔震、橫橋向（徑向）不隔震，在近斷層地震動作用下，主梁、橋墩和支座的地震反應與雙向隔震相比，在縱橋向出現了明顯變化：左聯縱橋向主梁位移約0.31 m，要大20%左右；縱橋向橋墩的最大側移角發生在較高墩處（4#和6#墩，12 m），最大約1.98%，提高了25%以上。這與大半徑曲線折梁橋出現了明顯不同。

表9 橋墩位移（R=100 m） m

表10 支座位移（R=100 m） m

3.2.3 豎向地震反應

時程分析表明：小半徑曲線折梁橋支座的豎向地震反應與大半徑橋類似，支座都處于受壓狀態。

綜合以上分析，可見小半徑曲線折梁橋與大半徑曲線折梁橋相比，呈現更為明顯的空間耦合反應，其雙向隔震和單向隔震結構反應明顯不同，且支座處于更不利的受力狀態。而大半徑曲線折梁橋更接近于直梁橋，其縱橋向和橫橋向地震反應趨于獨立。

4 結 語

曲線折梁橋在山區采用較多且半徑較小，其抗震問題不容小覷。本文以兩座不同曲率半徑橋梁的對比，研究了地震反應特性。從自振特性看，其表現為平扭耦合的特點，并且曲率半徑越小平扭耦合空間振動越顯著。當曲線折梁橋曲率半徑較小時（本文R=100 m）采用雙向隔震設計是合適的，可以更好地控制其地震反應；而曲線折梁橋曲率半徑較大時（本文R=500 m），其地震反應更接近于直梁橋的情況，可以采用類似的隔震設計方案。小半徑曲線折梁橋雙向隔震要注意防止支座受拉，或保證其要大于最小允許壓力或施加豎向拉力的構造措施（或可施加少量預壓力）等。為更好地保證支座受力計算的準確，上部結構除空間建模外，還應充分注意到主梁質心高度的影響，在梁端部以剛性橫梁或剛性臂的形式予以考慮。