不同墩高下連續剛構橋抗震性能分析

田玉文 寧曉駿周興林張清旭孟亞鋒 張春博

(1.昆明理工大學建筑工程學院 昆明 650500; 2.河南中豫路橋工程有限公司 鄭州 450000;3.浙江江南工程管理股份有限公司 杭州 310007)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，山區橋梁數量不斷增多，連續剛構橋具有T形剛構橋和連續梁橋的共同優點，在我國西部山區建設中被廣泛應用。雙肢薄壁墩是我國大、中跨徑橋梁的主要形式，它的構造特點是主梁與兩個相互平行的薄墩剛接。雙肢薄壁墩可減小主梁支反力峰值，增加橋墩剛度。雙肢薄壁墩既有一定柔性，又能保持橋墩穩定，適應上部位移的需要。相關研究指出連續剛構橋墩梁固結處存在很大的剛性，在地震作用下是主要的受力點。近年來許多學者根據不同的工程背景采用不同的分析方法，對不同的研究對象進行高墩連續剛構橋抗震分析。錢勁松[1]研究不同墩高對內力分布的影響，得出內力極值主要出現在矮墩底部。肖章權[2]通過對非對稱高墩大跨連續剛構橋的抗震性能研究，得出隨著墩高不斷增加，結構在各個方向剛度均有所減小。劉飛[3]對連續剛構橋抗震性能分析，得出橋梁結構的順橋向剛度要比橫橋向剛度大。孫超[4]通過一致激勵下的非平穩地震動線性反應分析得出，順橋向與橫橋向地震動同時輸入對連續剛構橋跨中部位非常不利。

1 工程背景

本文以某高墩連續剛構橋為依托，該剛構橋主跨徑為(90+170+90)m，承臺樁基為C30混凝土，橋墩為C50混凝土，主梁為C55混凝土。主梁為單箱單室結構，橋面寬為12.5 m，跨中和端部高3.2 m，箱梁根部高10.5 m，其橋墩截面采用雙肢等截面矩形空心墩，承臺高為3 m，樁基為直徑2.8 m的鉆孔灌注樁，通過地勘報告得到橋址處地震峰值加速度為0.30g，抗震設防烈度為Ⅷ度，區劃特征周期為0.45 s。其橋型布置圖見圖1所示。

2 有限元建模

2.1 參數選擇

在設計連續剛構橋時，往往會受到工程地形地勢、水上通航等限制，使得橋墩高墩不一致，不同墩高差在地震作用下內力分布不同，本文以改變2#橋墩為變量進行研究。保持1#橋墩高墩不變，建立工況一2#橋墩增加0 m，工況二2#橋墩增加10 m，工況三2#橋墩增加20 m，工況四2#橋墩增加30 m。

圖1 橋型布置(單位：m)

2.2 構建模型

本文采用Midas/civil有限元軟件建立全橋模型，主梁采用psc建模助手與懸臂澆筑聯合建模，主梁使用變截面梁單元，橋墩采用數據庫/用戶中的箱型截面，承臺與樁基、橋墩采用主從約束的剛性連接，橋墩與主梁之間采用彈性連接中的剛性連接，邊跨處的盆式橡膠支座采用彈性連接來模擬，樁基采用“m”法計算樁-土作用的影響并通過節點土彈簧來施加，主要計算荷載有結構自重和混凝土濕重等。利用節點荷載和單元荷載來施加恒載，全橋有限元模型見圖2所示。

圖2 有限元模型

3 地震波輸入

本文通過Midas/Building，結合峰值加速度、特征周期、抗震設防烈度等選取符合本橋址的3條地震波。并依據規范要求將3條地震波中對橋梁影響最大的一條地震波選取出來，然后利用有效峰值加速度EPA與有效峰值速度EPV，通過計算對每個方向的地震波放大系數進行調整,調幅后的San Fernando-291地震波見圖3所示。為了便于對比，在模擬抗震時，分別在E2罕遇地震作用下進行順橋向和橫橋向地震作用輸入。

圖3 San Fernando-291地震波

4 結果分析

4.1 動力特性分析

為了研究不同墩高差對動力特性的影響，分別對本文4個工況采用多重Ritz向量法進行動力特性研究。自振特性前5階結果見表1～表4。

表1 工況一自振特性

表2 工況二自振特性

表3 工況三自振特性

表4 工況四自振特性

從表1～表4中可以得出，隨著2#橋墩不斷增加，結構自振頻率不斷減小，當2#橋墩增加10 m、20 m、30 m時，第5階頻率變化比較明顯，分別減小10.8%、21.6%、23.5%，說明剛度逐漸減小，橋梁整體結構變柔[5-6]。

4.2 動力彈性時程分析

其他參數不變，只改變2%橋墩墩高，通過墩底、墩頂縱橫向彎矩峰值，墩底、墩頂縱橫向剪力峰值和墩頂縱橫向位移峰值這6個時程分析結果做對比，多方位分析結構彈性階段地震作用下的響應情況。計算結果見表5～表10。

表5 順橋向地震作用下墩底、墩頂縱向彎矩峰值

表6 橫橋向地震作用下墩底、墩頂橫向彎矩峰

由表5～表6可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩的增加，1#橋墩彎矩在縱橫向不斷增加,2#橋墩彎矩在縱橫向逐漸減小，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底彎矩減小了30.7%，1#橋墩墩底順橋向彎矩增加了6.1%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底橫橋向彎矩減小了16.4%，1#橋墩墩底橫橋向彎矩增加了3.4%。1#橋墩、2#橋墩彎矩隨2#橋墩高度的增加呈現一定規律的增大和減小，2#橋墩比1#橋墩變化的幅度明顯，說明隨著墩高差的逐漸增大，1#墩的受力會變得更加復雜，在受到地震作用時，受到破壞的可能性要大于2#墩。

表7 順橋向地震作用下墩底、墩頂順向剪力峰值

表8 橫橋向地震作用下墩底、墩頂橫向剪力峰值

由表7～表8可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩的不斷增加，1#橋墩縱橫向剪力增大，2#橋墩縱橫向剪力減小，但對2#橋墩內力影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力減小了32.9%，1#橋墩墩底剪力增加了16.4%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力減小了21.1%，1#橋墩墩底剪力增加了8.4%。對于2#橋墩的不斷增大，順橋向地震作用下的內力影響效果明顯強于橫橋向地震作用下的內力[7]。

表9 順橋向地震作用下墩頂縱向位移峰值

表10 橫橋向地震作用下墩頂橫向位移峰值

由表9～表10可知，在縱橫向地震作用下，1#橋墩、2#橋墩墩頂縱橫向位移隨著2#橋墩的增加逐漸增大，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移增大了36.6%，1#橋墩墩頂位移增加了6.4%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移增加了21.2%，1#橋墩墩頂位移增加了8.2%。對于2#橋墩的逐漸增大，橋梁整體剛度降低，柔性變大，進而使墩頂位移不斷變大，2#橋墩相比1#橋墩剛度更小，柔度更大，所以在地震作用下2#橋墩增加幅度較明顯。

5 結論

本文以某連續高墩剛構橋為依據，以不同墩高差為參數運用時程分析方法對不同工況下的模型進行罕遇地震作用下的模擬研究，為以后連續剛構橋的抗震分析提供參考，得出以下幾點結論：

(1)在彈性時程作用下，連續剛構橋的自振頻率與墩高有關聯，墩高越高，自振頻率越小，橋梁剛度也越小，柔度也越大。

(2)隨著橋墩的不斷增加，橫橋向地震作用下的內力影響效果明顯低于順橋向地震作用下的內力影響效果。

(3)隨著其中一個橋墩的不斷增加，高墩內力值會逐漸減小，矮墩的內力值會增加，但矮墩內力增加幅度較小，在進行設計時應注意矮墩的受力情況，防止出現破壞。