曲線梁橋抗震研究綜述

姜葉子

(西安建筑科技大學土木工程學院 陜西 西安 710055) (西安建筑科技大學結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室 陜西 西安 710055)

一、引言

進入2l世紀，我國城市化進程加快，越來越多的人口和財富集聚于城市中。同時由于自然或人為災害的破壞，城市處于災害的高發(fā)期。地震作為一種主要的災害形式，其發(fā)生往往造成城市功能的癱瘓和生命財產(chǎn)的損失。城市道橋系統(tǒng)作為生命線系統(tǒng)的重要組成部分，對維系城市的正常運行起著關鍵性的作用。國內(nèi)外多次震害經(jīng)驗表明，城市道橋系統(tǒng)在地震作用下是易損的，并且相較于道路，橋梁在地震作用下更容易發(fā)生嚴重破壞或是毀滅性的破壞。

曲線梁橋能很好的克服地形、地物的限制，滿足路線整體線性的連續(xù)性，建筑上具有平順、流暢的線條，因此在國內(nèi)外城市高架、立交橋梁工程中得到了很廣泛的應用。然而，相較于直線梁橋，曲線梁橋自身結(jié)構(gòu)的復雜性使得其在地震作用下的破壞更為嚴重。因此開展曲線梁橋抗震研究工作是十分必要的。

二、曲線梁橋簡化計算方法

姚玲森[1]考慮了曲線梁橋彎扭耦合作用，推導計算出多梁并列式曲線梁橋各主梁荷載橫向分布影響線的計算公式，從而可以計算主梁和橫梁的各項內(nèi)力。

張羅溪等[2]首次采用數(shù)值分析的方法分析預應力曲線連續(xù)梁橋，并開發(fā)了相應的計算機程序軟件輔以計算，大大節(jié)省了計算時間。編制了預應力混凝土曲線連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)分析程序，可以使曲線箱型梁橋的計算得到簡化。

王解軍等[3]采用有線條法和柔度法相結(jié)合來計算多跨連續(xù)曲線梁橋，相比較有限元法減少了數(shù)據(jù)輸入。

黃劍源[4]和任茶仙[5]以曲線格子梁理論為基礎，推導了空間薄壁曲線梁的單元剛度矩陣的等效節(jié)點力算式，建立七個自由度的單元剛度矩陣，同時將預應力換算成等代的空間荷載，為剛度法分析空間結(jié)構(gòu)問題提供了理論基礎。

高曉安等[6]系統(tǒng)總結(jié)和分析了CQC3方法、SRSS3方法以及SRSS方法和百分比方法的近似計算方法。通過對一座曲線橋梁進行多向地震反應分析，得出CQC3方法的正確性，對于重要結(jié)構(gòu)的關鍵性地震效應，應采用該方法分析。

三、曲線梁橋地震反應分析研究

Tseng等[7]在1971年美國San Fernando地震后，采用數(shù)學模型模擬方法，建立了能考慮碰撞、屈服的伸縮縫力學模型，通過自編的三維非線性動力分析程序，率先對長大公路連續(xù)曲線梁橋進行了非線性地震反應分析。

Godden[8]使用振動臺實驗研究了大跨度橋梁的抗震性能，通過微粒混凝土建立了真比例模型和變形模型，對一座單排柱承重的多空長跨混凝土公路橋進行地震分析，得出該類型的曲線公路橋在伸縮縫處和柱基處容易產(chǎn)生破壞。

李國豪[9]最早從有限元模擬角度對曲線梁橋的地震響應進行了探討。他采用曲線坐標系，推導了考慮約束扭轉(zhuǎn)的影響、每節(jié)點具有八個自由度的曲線梁單元及墩單元的剛度矩陣，并通過一座三跨連續(xù)曲梁橋算例，驗證了該模型的正確性。

黃明非[10]通過對簡化的單跨曲線模型進行動力時程分析，研究了曲線橋在地震作用下的面內(nèi)轉(zhuǎn)動機理。其中，重點研究了最不利地震作用方向，將導致橋面板發(fā)生最大轉(zhuǎn)動的地震輸入方向定義為最不利地震作用方向。

王麗等[11]將城市橋梁簡化為支撐在多個彈性支座上的具有剛度偏心的簡單曲線梁橋模型，給出了地震反應的簡化分析方法，系統(tǒng)地總結(jié)和分析了各種因素對曲線橋梁動力反應的影響規(guī)律。

王俊彥[12]以某輕軌工程中3×25的預應力混凝土連續(xù)曲線梁橋為例，采用時程分析方法，研究不同曲率半徑及地震輸入角度對曲線梁橋響應的影響。

四、曲線梁橋最不利地震動輸入方向研究

方詩圣等[13]對曲線梁橋最不利地震的輸入方向進行了研究，分別考慮了水平和豎向地震單獨作用下，橋梁的反應，以及水平豎向地震組合作用下，橋梁的最不利地震輸入方向。

滕軍等[14]通過對深圳某立交橋中一聯(lián)三跨高墩小半徑曲線梁橋為背景建立空間有限元模型，進行地震作用下的動力反應分析得出：1.墩高對高墩小半徑曲線梁橋動力特性的影響較大，曲率半徑變化影響則不大；2.多遇地震下，曲率半徑對梁體扭矩的影響較大，對梁體其他內(nèi)力及墩的地震影響不大，墩高變化對梁體和墩的地震響應影響均很大；3.高墩小半徑曲線梁橋最不利輸入角度不因曲率半徑和墩高的變化而變化，可將支座中心連線方向和平面內(nèi)與之垂直的方向作為最不利的地震輸入角度。

陳興沖等[15]以某城市立交工程曲線匝道橋為背景，進行有限元模型的建立，重點分析了曲率半徑對動力特性以及最不利輸入方向的影響。其中，采用了兩種地震反應譜輸入的方法：一種是從0°至180°間隔為10°繞Z軸輸入地震反應譜；另一種是分別沿相鄰方向和垂直于連線水平方向進行多方向地震動輸入。通過計算得出兩種方法所獲得的結(jié)構(gòu)最大反應值及最不利輸入角度結(jié)果基本一致。

張俊杰等[16]利用Bresler建議的屈服函數(shù)形式，建立了地震動最不利輸入方向的標準，通過反應譜方法來計算截面內(nèi)力，并按SQSS法進行組合，從而確定最不利方向和內(nèi)力最大值。

全偉等[17]以三跨高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，采用了基于小波變換的方法生成擬合規(guī)范三維反應譜的人工地震動。為簡化起見，只考慮了兩個水平地震動分量同時作用的情況，采用傳統(tǒng)方法從0°到180°間隔為10°遞增進行地震動輸入，求得的墩頂切向位移和徑向位移最不利輸入角度。

五、曲線梁橋地震易損性研究

Shirazi[18]對加州區(qū)域內(nèi)常見的曲線箱梁橋進行了易損性分析，考慮幾何、材料等不確定性，獲得算了所統(tǒng)計的具有不同圓心角的5類樣本的易損性曲線，表明橋墩、支座及橋臺位移的響應取決于圓心角大小，而且橋墩易損性最大，系統(tǒng)易損性隨圓心角增加而增加。

趙美揚[19]分別基于纖維模型、彈簧-桿系模型建立了曲線橋梁的非線性有限元模型和簡化模型，通過數(shù)值模擬分析了曲線梁橋的地震響應，并基于簡化模型，采用墩頂位移延性系數(shù)作為損傷指標對曲線橋梁的易損性進行了研究。

李煜錳[20]結(jié)合福州市曲線梁橋的調(diào)查與文獻的整理，選出了具有代表性的基準橋，并采用SAP2000建立了空間有限元分析模型。在此基礎上，采用增量動力分析方法，對曲線梁橋進行了地震易損性研究，并分析曲率半徑、墩高及支座的布置方式的變化對結(jié)構(gòu)易損性的影響。

楊斌[21]采用短直梁以直代曲的方法建立了曲線梁橋有限元模型，分別計算了構(gòu)件在單向和雙向地震激勵下的易損性曲線，并以橋梁系統(tǒng)易損性為指標，找出了使曲線橋受力最不利、整體破壞概率最高的地震輸入角度。

殷超[22]以某一曲線匝道梁橋為例，通過MIDAS/Civil有限元軟件中的梁格法，建立了該橋的有限元模型，并進行了反應譜分析和非線性動力時程分析，根據(jù)結(jié)果建立了結(jié)構(gòu)反應概率函數(shù)，計算了不同強度地震作用下的超越概率，并分析了曲率半徑、墩柱高度對曲線梁橋易損性的影響。

六、結(jié)語

根據(jù)本文對曲線梁橋抗震研究的綜述，可以認為，自1971年美國San Fernando地震之后，國內(nèi)外對曲線梁橋的抗震研究已經(jīng)較為成熟，并且在簡化計算方法、地震反應分析、最不利地震動輸入方向、地震易損性方面都取得了諸多成果。但是曲線梁橋大多都是作為匝道橋用于城市立交橋工程中，一般較少地出現(xiàn)單座的曲梁橋，而城市立交橋作為交通系統(tǒng)的重要樞紐，具有極其重要的作用。因此，從目前的曲線梁橋抗震分析擴展到整體立交橋的抗震分析應是今后的研究重點。