橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)特性研究

陳盈 張樂(lè) 張文學(xué) 田雨毫

摘要：為研究橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的縱向彈性地震響應(yīng)特性，以某山區(qū)橋隧相連三跨連續(xù)梁橋?yàn)楸尘埃⑴鲎卜治瞿Ｐ停芯科淇v向彈性地震響應(yīng)特性，并與常規(guī)連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比;分析了場(chǎng)地類(lèi)型、墩高、伸縮縫間隙、滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)等因素對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)特性的影響，討論了伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置的減震效果。研究表明：與帶引橋超高墩連續(xù)梁橋相比，碰撞效應(yīng)對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的縱向彈性地震響應(yīng)的影響更加顯著;橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋隨著墩高的增加固定墩彎矩響應(yīng)沿墩高出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)，固定墩墩頂剪力響應(yīng)明顯增加，甚至超過(guò)墩底剪力。場(chǎng)地類(lèi)型和伸縮縫間隙均對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)有較大影響;增大滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)對(duì)超高墩連續(xù)梁橋墩底內(nèi)力響應(yīng)基本無(wú)影響;在伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置可以明顯降低其地震響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：縱向地震響應(yīng);橋隧相連;連續(xù)梁橋;超高墩;碰撞

中圖分類(lèi)號(hào)：U442.5⁺5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-4523（2020）05-1024-11

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2020.05.017

引言

對(duì)歷次地震中的震損橋梁研究得出，碰撞是導(dǎo)致連續(xù)梁橋損傷甚至倒塌的重要原因。目前，已有許多學(xué)者對(duì)碰撞問(wèn)題進(jìn)行了理論分析。Praveen等認(rèn)為可采用直桿共軸碰撞理論分析相鄰梁體的碰撞，并建立了阻尼比、恢復(fù)系數(shù)及鄰梁長(zhǎng)度比等參數(shù)的關(guān)系。王東升等認(rèn)為鄰梁碰撞介于剛體碰撞和直桿共軸碰撞之問(wèn)，建立了兩種碰撞模型，并分析了鄰梁長(zhǎng)度比、阻尼比等對(duì)地震響應(yīng)的影響，得出碰撞彈簧剛度約為0.5倍的較短主梁軸向剛度。王軍文等比較了連續(xù)梁橋單邊碰撞和雙邊碰撞地震響應(yīng)的不同，認(rèn)為主橋與引橋的周期比也是影響地震響應(yīng)的主要因素。李忠獻(xiàn)等通過(guò)對(duì)兩跨簡(jiǎn)支隔震橋梁模型的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，分析了鄰梁?jiǎn)栂丁①|(zhì)量比、隔震支座類(lèi)型對(duì)碰撞響應(yīng)的影響。張文學(xué)等認(rèn)為斜拉橋與引橋的碰撞響應(yīng)除了與斜拉橋的重心高度、引橋形式等結(jié)構(gòu)因素有關(guān)外，場(chǎng)地類(lèi)型也是重要的影響因素，同時(shí)在伸縮縫處設(shè)置阻尼器可以有效控制主橋的地震響應(yīng)。

目前關(guān)于普通墩連續(xù)梁橋地震碰撞理論及影響因素的研究較為成熟，其研究對(duì)象多為連續(xù)梁橋主橋與引橋之問(wèn)的碰撞響應(yīng)。隨著中國(guó)西南地區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的推進(jìn)，將建造大量的山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋，且處于地震高烈度區(qū)，但關(guān)于橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)特性及損傷模式的研究還很少見(jiàn)到相關(guān)文獻(xiàn)。因此有必要對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)特性及設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)等進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1有限元模型建立

1.1碰撞單元選取

目前橋梁結(jié)構(gòu)分析中對(duì)碰撞的模擬一般采用接觸單元法，可采用Kelvin模型。如圖1所示，Kelvin模型由阻尼器并聯(lián)彈簧形成，再通過(guò)串聯(lián)的方式與問(wèn)隙耦合。

1.2模型介紹

以某山區(qū)（80+120+80）m三跨超高墩連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，其主梁為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面箱梁，主梁根部梁高7.3m，跨中部梁高3m，箱梁高度按1.8次拋物線(xiàn)變化;箱梁頂板寬13.25m，底板寬7m。主墩采用變截面矩形空心墩，1#和2#墩墩高均為120m，1#墩為固定墩，2#墩為活動(dòng)墩，利用XTRACT軟件求出1#和2#墩的墩底屈服彎矩Ms=1.1x 10⁶kN·m，總體布置如圖2所示。為研究超高墩連續(xù)梁橋的碰撞特性，采用ANSYS有限元軟件建立3種分析模型，如圖3所示。模型一為不考慮碰撞效應(yīng)的超高墩連續(xù)梁橋模型，模型二為超高墩連續(xù)梁橋與橋臺(tái)碰撞模型，模型三為超高墩連續(xù)梁橋與引橋碰撞模型。3種模型中主梁與墩均采用線(xiàn)性單元BEAM3模擬，主梁與墩臺(tái)問(wèn)的支座通過(guò)耦合節(jié)點(diǎn)自由度來(lái)模擬，即滑動(dòng)支座通過(guò)耦合梁底與墩頂?shù)呢Q向自由度模擬，固定支座通過(guò)耦合其豎向、橫向兩個(gè)方向的自由度來(lái)模擬。由于山體的質(zhì)量遠(yuǎn)大于橋梁的質(zhì)量，模型二中梁與橋臺(tái)的碰撞可以簡(jiǎn)化為梁與固定點(diǎn)的碰撞。模型三中引橋采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T形連續(xù)梁橋，固定墩為高度18m的矩形空心墩，截面如圖3（c）所示。接觸單元皆采用COMBIN40單元，其中GAP的取值為伸縮縫問(wèn)隙的大小，可滑動(dòng)彈簧K1取值為0，彈簧K2取接觸剛度k的500倍以上。

1.3地震波

選取山區(qū)常見(jiàn)的工，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地地震波作為縱向地震動(dòng)輸人，如表1所示。將加速度峰值均調(diào)整為0.4g，分析場(chǎng)地類(lèi)型、墩高、伸縮縫問(wèn)隙等因素對(duì)主橋地震響應(yīng)的影響。加速度反應(yīng)譜如圖4所示。

2不同超高墩連續(xù)梁橋縱向彈性地震響應(yīng)對(duì)比

為研究不同模型超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)特性，以Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地中的El-centro波作為縱向地震波輸入，對(duì)墩高H=120m，伸縮縫問(wèn)隙為10cm的3種模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果如圖5和6所示。由此可知：

（1）在縱向地震波作用下，不同模型超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)差異較大。總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于超高墩連續(xù)梁橋，不考慮碰撞效應(yīng)的模型一和考慮與引橋碰撞的模型三的地震響應(yīng)相差較小。而與橋臺(tái)碰撞的模型二橋墩的內(nèi)力響應(yīng)與模型一和模型三的橋墩內(nèi)力響應(yīng)相差較大：1）模型二墩上部和墩底處彎矩響應(yīng)明顯增大;2）由于模型二在地震響應(yīng)過(guò)程中存在較大的碰撞力，致使橋墩頂部存在較大的剪力響應(yīng)。

（2）模型二和模型三雖然都考慮了碰撞效應(yīng)，但由于模型二中橋臺(tái)的剛度明顯大于模型三中引橋橋墩剛度，在地震作用下橋臺(tái)位移響應(yīng)很小，使得模型二的碰撞力明顯大于模型三;同時(shí)碰撞次數(shù)相比于模型三也有所減少。

（3）由于超高墩自身質(zhì)量和高階振型的貢獻(xiàn)，使得橋墩剪力和彎矩響應(yīng)峰值并不是從墩底到墩頂線(xiàn)性規(guī)律減小的，而是在墩身的某個(gè)位置出現(xiàn)第2個(gè)極值響應(yīng)點(diǎn)。

（4）在模型一、模型二和模型三中，固定墩墩底的彎矩均小于其屈服彎矩Ms，這說(shuō)明在E1-Centro波（PGA=0.40g）作用下，固定墩處于彈性范圍內(nèi)。

3參數(shù)影響分析

3.1場(chǎng)地類(lèi)型的影響

為研究場(chǎng)地類(lèi)型對(duì)山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，以墩高H=120m，伸縮縫問(wèn)隙為10cm的模型二、模型三進(jìn)行分析，采用表1中所列典型地震波作為縱向地震波輸入，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由此可知：

（1）在I類(lèi)場(chǎng)地下模型二的墩底彎矩略小于模型三墩底彎矩，墩底剪力與模型三墩底剪力基本相同，但墩頂剪力卻明顯大于模型三的墩頂剪力。在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地下模型二的墩底彎矩明顯大于模型三墩底彎矩，墩底剪力略大于模型三的墩底剪力，但墩頂剪力明顯大于模型三的墩頂剪力。

（2）在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地下模型三的墩頂剪力明顯小于墩底剪力，模型二的墩頂剪力卻明顯大于墩底剪力。這主要是因?yàn)樵冖蝾?lèi)場(chǎng)地下模型二的伸縮縫碰撞力明顯大于模型三，致使模型二的墩頂剪力響應(yīng)明顯增加。

（3）在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地下模型二和模型三的地震響應(yīng)與I類(lèi)場(chǎng)地相比均明顯增加，但模型二的墩頂剪力響應(yīng)和墩底彎矩響應(yīng)的增加幅度明顯大于模型三。

3.2墩高的影響

為研究墩高對(duì)山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，取固定墩墩高H=40-160m，伸縮縫問(wèn)隙為10cm的模型二、模型三進(jìn)行分析，以表1中所列工，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地土中SUPERSTITION波、E1-Centro波作為縱向地震波輸入，計(jì)算結(jié)果如圖8-11所示。由此可知：

（1）對(duì)于模型三，在SUP波和ELC波作用下主橋與引橋的伸縮縫問(wèn)隙對(duì)墩底剪力和墩頂剪力的影響均不明顯;但在SUP波作用下，伸縮縫問(wèn)隙對(duì)模型三的橋墩彎矩響應(yīng)有一定影響。對(duì)于模型二，主橋與橋臺(tái)之問(wèn)的伸縮縫問(wèn)隙對(duì)墩底剪力影響較小，但對(duì)墩頂剪力影響較大;伸縮縫問(wèn)隙對(duì)模型二和模型三的墩身彎矩響應(yīng)有一定影響。

（2）伸縮縫問(wèn)隙對(duì)模型二和模型三的碰撞力響應(yīng)均有影響，且對(duì)模型二的影響程度明顯大于對(duì)模型三的影響。在墩高和伸縮縫問(wèn)隙相同的情況下，模型二的碰撞力響應(yīng)明顯大于模型三。

3.4滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)的影響

為研究滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)對(duì)山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震碰撞響應(yīng)的影響，采用接觸對(duì)（由接觸面和目標(biāo)面組成）模擬滑動(dòng)支座的摩擦系數(shù)，如圖15所示。其中，結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2之問(wèn)建立剛臂，使用單元CONTAl71建立接觸面;結(jié)點(diǎn)3和結(jié)點(diǎn)4之問(wèn)建立剛臂，使用TARGEl69建立目標(biāo)面。然后使梁底與接觸面耦合，墩頂與目標(biāo)面耦合，通過(guò)設(shè)置接觸對(duì)的摩擦系數(shù)來(lái)模擬滑動(dòng)支座的摩擦系數(shù)。

分別取支座摩擦系數(shù)為2%，4%，6%，8%，墩高H=120m，伸縮縫問(wèn)隙為10cm的模型二、模型三進(jìn)行分析，以表1中所列工，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地土中SUPER-STITION波、E1-Centro波作為縱向地震波輸人，計(jì)算結(jié)果如圖16-18所示。由此可知：

（1）對(duì)于模型二來(lái)說(shuō)，增大滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)對(duì)墩底彎矩和墩底剪力基本無(wú)影響，但對(duì)墩頂剪力和主梁碰撞力影響較大。在工類(lèi)場(chǎng)地下，隨著滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)的增大，墩頂剪力和主梁碰撞力逐漸增大;而在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地下，隨著滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)的增大，主梁碰撞力基本呈下降趨勢(shì)。

（2）對(duì)于模型三來(lái)說(shuō)，滑動(dòng)支座的摩擦系數(shù)基本對(duì)橋墩的內(nèi)力響應(yīng)無(wú)影響，但須注意在工類(lèi)場(chǎng)地下隨著滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)的增大，主梁碰撞力會(huì)逐漸增大。4橡膠緩沖裝置減震效果分析

為研究橡膠緩沖裝置對(duì)山區(qū)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響，分別取剛度比為ε=0.01，0.1，0.2，0.4，0.6，0.8進(jìn)行分析。以表1所列Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地土中E1-Centro波作為縱向地震波輸人，對(duì)墩高H=120m，伸縮縫問(wèn)隙為10cm的模型二、模型三進(jìn)行分析。橡膠緩沖裝置的減震效果如圖19所示，由此可知：

（1）在伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置可以有效降低模型二和模型三的地震響應(yīng)，且在剛度比相同的情況下模型二固定墩的減震效果優(yōu)于模型三的減震效果。

（2）橡膠緩沖裝置的剛度比ε<0.2時(shí)，模型二的減震率隨著剛度比s的增加而增大;當(dāng)ε>0.4后，模型二減震率逐漸下降。綜合分析，對(duì)于模型二取緩沖裝置剛度比ε=0.2-0.4較為合理。

（3）對(duì)于模型三，在伸縮縫處設(shè)置橡膠緩沖裝置雖然可以降低墩底彎矩和剪力響應(yīng)，但減震效果有限，墩底彎矩減震率基本在3%左右，墩頂剪力減震率在13%左右，墩底剪力基本無(wú)減震效果。

5結(jié)論

（1）與帶引橋超高墩連續(xù)梁橋相比，碰撞效應(yīng)不僅增大了橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋橋墩上部的地震響應(yīng)，還改變了橋墩剪力響應(yīng)的豎向分布規(guī)律，使其剪力最大值出現(xiàn)在墩頂位置處而非墩底位置。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視墩頂?shù)目拐鹉芰︱?yàn)算。

（2）墩高和場(chǎng)地類(lèi)型對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)有較大影響。隨著墩高的增加，固定墩剪力和彎矩響應(yīng)并不是沿墩高呈線(xiàn)性規(guī)律降低，墩身彎矩響應(yīng)可能出現(xiàn)多個(gè)極值點(diǎn)，墩底往上2、3位置彎矩明顯增大，固定端最大剪力響應(yīng)甚至?xí)霈F(xiàn)在墩頂位置。

（3）伸縮縫問(wèn)隙對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響相對(duì)較大，隨著伸縮縫問(wèn)隙的增大墩頂剪力基本呈下降趨勢(shì)，而墩底彎矩響應(yīng)影響因素復(fù)雜，不僅與伸縮縫問(wèn)隙有關(guān)，而且還與場(chǎng)地類(lèi)型相關(guān)，在工類(lèi)場(chǎng)地下隨著伸縮縫問(wèn)隙的增大，墩底彎矩呈上升趨勢(shì)，在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地下隨著伸縮縫問(wèn)隙的增大，墩底彎矩呈先下降后不變的趨勢(shì);而伸縮縫問(wèn)隙對(duì)墩底剪力影響較小。

（4）增大滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)對(duì)橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋墩底內(nèi)力響應(yīng)基本無(wú)影響，但對(duì)墩頂剪力和主梁碰撞力影響較大。在工類(lèi)場(chǎng)地下，隨著滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)的增大，墩頂剪力和主梁碰撞力逐漸增大;而在Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地下，隨著滑動(dòng)支座摩擦系數(shù)的增大，主梁碰撞力基本呈下降趨勢(shì)。

（5）在伸縮縫處合理設(shè)置橡膠緩沖裝置可以大幅度降低橋隧相連超高墩連續(xù)梁橋的地震響應(yīng)，起到較好的減震效果，綜合分析設(shè)計(jì)時(shí)取緩沖裝置剛度比ε=0.2-0.4較為合理。