連續剛構橋抗震性能影響因素分析★

張澤宇 周 逸 張森華*

(1.貴州高速集團有限公司，貴州 貴陽 550000;2.重慶亞派橋梁工程質量檢測有限公司，重慶 401121; 3.重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

連續剛構橋是一種組合體系結構，其優點在于變形小、結構剛度大、行車平順舒適等。但其抗震理論的發展速度較慢，現有抗震設計規范不適用于跨徑大于150 m的大跨連續剛構橋，這使得在設計階段必須對其抗震性能給予足夠的考量。

目前，許多學者對大跨度連續剛構橋的動力性能進行了研究。其中對高墩大跨連續剛構橋的地震響應的研究為設立橋梁抗震設防標準的確定提供了理論依據［1-3］;范立礎等人對地震波輸入方向的問題進行了研究，并提出了大跨度橋梁抗震設計的方法［4，5］;潘強等對高墩對連續剛構橋地震反應及行波效應進行了研究［6，7］;何欽象等人提出了大跨徑連續剛構橋抗震性能評估方法［8］;王東升等對地震波輸入的最不利方向進行了分析研究［9］。但對于橋墩高度對連續剛構橋抗震性能的影響還缺乏系統性研究。

為此，作者在目前的研究成果的基礎上，基于Midas有限元程序，討論了橋墩高度對于連續剛構橋抗震性能的影響，對橫、縱橋向地震的影響下對橋梁的動力響應、橋梁受力和橋梁位移進行分析，以期為評估相關類型橋梁的抗震性能提供依據。

1 橋梁結構有限元模型

基于Midas-civil建立了考慮邊跨支座處的彈性約束作用以及基礎和地基的影響的數值模擬有限元模型，從而分析橋梁在橫橋向以及縱橋向地震波影響下的動力特征。本橋跨徑布置為95 m+180 m+95 m，橋面橫橋向凈寬為11.5 m。

圖1 全橋總體布置圖

全橋總體布置圖如圖1所示。主梁為變截面箱梁，箱梁采用單箱單室結構，材料為C50混凝土。橋墩高度為15 m～100 m。為使模型貼近實際情況，基于“m法”計算了等效的土彈簧剛度，并將其作為實際土層的等效替換。全橋有限元模型如圖2所示。

建立的有限元模型的參數根據實際結構確定，地震波的參數根據相關規范進行選取。根據相關抗震設計規范，取抗震烈度為8級，采用Midas提供的典型的地震波進行動力響應分析，地震作用角度分別為0°及90°，周期折減系數為1，峰值加速度為0.2g。

圖2 橋梁有限元模型

2 抗震性能分析

考慮到雙肢薄壁墩在大跨連續剛構橋中的廣泛應用，研究了采用該截面形式墩的墩高對連續剛構橋的地震響應特性的影響。

2.1 對自振特性的影響

根據有限元方法的計算結果，不同墩高對應的結構振動頻率如表1所示。由表1可知，對于相同高度的橋墩而言，其自振頻率與振動階次成正比。對于相同的自振階次，自振頻率與墩高成正比。這是由于墩高下降引起的橋梁整體結構剛度下降。故在連續剛構橋中采用高墩時，需要考慮由于剛度下降對結構整體地震響應的影響。

表1 不同階次振型及頻率

2.2 梁跨中位移的影響

根據計算結果，在縱橋向地震波作用下，橋梁結構在跨中僅產生極小的豎向和一定的縱橋向位移。在橫橋向地震波作用下，橋梁結構在跨中截面處存在較大橫橋向位移。此外墩的高度對橋梁結構跨中截面處的縱橋向和橫橋向位移有一定影響。采用不同墩高時，對應的橋梁跨中截面順橋向、橫橋向位移如圖3所示。

圖3 橫橋向地震波作用下不同橋墩高度跨中截面位移圖

圖4 橫橋向地震波作用下不同橋墩高度墩頂截面位移圖

由圖3可見，橋梁跨中截面橫橋向位移隨墩高的增長呈線性增長，增長速度快且穩定。但隨著墩高的增長，橋梁跨中截面縱橋向位移增長較慢，且縱橋向位移的增長速度隨墩高的增長而降低。由此可知，橋墩高度的增加會增大梁體在地震作用下橫向傾覆的可能性，在采用高墩時應注意增大橋墩的橫橋向剛度，以減少地震作用下的橫橋向位移。

2.3 對墩頂位移的影響

墩高對于墩頂截面位移的影響與其對于跨中截面的影響類似，在縱橋向地震波作用下，橋梁結構在墩頂僅產生極小的豎向和一定的縱橋向位移，不產生橫橋向位移。而在橫橋向地震波作用下，橋梁結構在墩頂截面處不產生豎向和縱橋向位移，而存在較大的橫橋向位移，見圖4。易知地震作用不會引起橋梁產生豎向的，而會產生橫橋向和縱橋向的位移。并且墩的高度對橋梁結構墩頂位移有一定影響。

由此可知，橋墩高度的增加會增大梁體在地震作用下橫向傾覆的可能性，在采用高墩時應注意增大橋墩的橫橋向剛度，以減少地震作用下的橫橋向位移。

2.4 對墩頂內力的影響

采用各高度橋墩的橋梁的墩頂截面內力如圖5所示。

圖5 不同橋墩高度墩頂內力圖

對于高度不同的橋墩，縱橋向地震波引起的墩頂剪力均小于橫橋向地震波引起的墩頂剪力，但兩者差異較小，且兩者引起的墩頂截面剪力與墩高的關系類似。同樣對于墩頂截面的彎矩而言，其彎矩隨橋墩高度的增加先減后增，但其轉折點是橋墩高度為85 m時，較墩頂剪力曲線的轉折點更大。故可以通過計算找到對地震作用響應最小的橋墩高度，以便減小包括墩頂剪力和墩頂彎矩在內的墩頂彎矩，進而改善梁墩固結處的受力情況。

2.5 對墩底內力的影響

橋墩高度不同時，橋梁的墩頂內力如圖6所示。墩底剪力隨橋墩高度改變的變化規律與墩頂內力的變化規律相似。對于高度不同的橋墩，縱橋向地震波引起的墩頂剪力均小于橫橋向地震波引起的墩頂剪力，但兩者差異較小，且兩者引起的墩頂截面剪力與墩高的關系類似。

對于墩底彎矩而言，縱橋向地震波引起的墩底彎矩和橫橋向地震波引起的墩底彎矩隨橋墩高度改變的變化規律相似。不同于墩頂截面彎矩變化規律，橫橋向地震波引起的墩底截面彎矩遠大于由縱橋向地震波引起的墩底截面彎矩，故在進行橋墩設計時，應注意增大橋墩在橫橋向的抗彎剛度。

圖6 不同橋墩高度墩底內力圖

3 結語

1)對于相同的自振階次，結構自振頻率與橋墩高度成正比，故在連續剛構橋中采用高墩時，需要考慮由于剛度下降對結構整體地震響應的影響。

2)橋墩高度的增加會增大梁體在地震作用下橫向傾覆的可能性，在采用高墩時應注意增大橋墩的橫橋向剛度，以減少地震作用下的橫橋向位移。

3)通過計算找到對地震作用響應最小的橋墩高度，可減小包括墩頂剪力和墩頂彎矩在內的墩頂彎矩，進而改善梁墩固結處的受力情況。

4)橫橋向地震波引起的墩底截面彎矩遠大于由縱橋向地震波引起的墩底截面彎矩，故在進行橋墩設計時，應注意增大橋墩在橫橋向的抗彎剛度。

5)通過上述研究，定量地討論了橋墩高度對連續剛構橋抗震性能的影響程度，分析了連續剛構橋動力特性的變化規律;計算所得結論有助于了解連續剛構橋的動力特性以及對連續剛構橋設計進行針對性優化。