墩高對橋梁動力響應的影響分析

季學凱

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

我國位于環(huán)太平洋地震帶與亞歐地震帶之間，地震活動頻繁，地震作用具有時間短、破壞力強及不可預測等特點，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大的威脅[1]。21世紀以來，中國交通基礎設施迅速發(fā)展，而橋梁是交通發(fā)展的重中之重，對國民經(jīng)濟和日常出行活動起著重要作用，所以對橋梁的抗震研究是必要且急迫的。橋墩是橋梁中抵抗地震側(cè)向力和支撐橋梁上部作用的主要構(gòu)件，橋梁震害資料表明，地震作用時，橋墩往往由于抵抗彎曲或剪切能力不足而遭受破壞，繼而可能導致落梁及倒塌等更為嚴重的震害，所以橋墩的抗震性能是橋梁抗震設計的一個關(guān)鍵點[2]。而墩高的改變會導致橋墩的剛度改變，會影響結(jié)構(gòu)的周期振型，繼而會影響地震作用下橋墩的內(nèi)力[3]。因此，本文通過有限元軟件SAP2000建模進行參數(shù)分析，研究不同墩高下橋梁動力響應的規(guī)律。

1 工程背景

該工程路線全長540 m，其中主橋為采用(100+180+100)m跨徑布置的三跨連續(xù)鋼箱梁橋。其上部結(jié)構(gòu)均采用變高度直腹板連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，支點處梁高9 m，跨中及邊跨端部梁高4.5 m；橋墩均為矩形鋼筋混凝土板式墩，其中順橋向長3 m，橫橋向長6.3 m；橋臺均采用肋板式橋臺，基礎均為承臺下設鉆孔樁。鋼箱梁主體結(jié)構(gòu)鋼材采用Q370qD，墩(臺)身及承臺采用C40混凝土，鉆孔樁基礎采用C35水下混凝土。

2 結(jié)構(gòu)的動力分析

2.1 有限元建模

采用大型有限元軟件SAP2000建立橋梁結(jié)構(gòu)模型[4]，全橋建模時以縱橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。綜合考慮模型建立的精確性及計算效率性，主梁和墩臺一般不采用復雜的三維實體單元或板單元，而是采用能反映結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度特征的梁單元模型來模擬上部結(jié)構(gòu)的力學特性。支承連接條件的變化，對橋梁的動力特性、內(nèi)力和位移反應均有很大的影響。在求解結(jié)構(gòu)動力特性時，支座一般采用主從關(guān)系Body進行處理；在線彈性反應譜分析中，支座可采用線彈性Link單元模擬，支座布置如圖1所示。邊界條件即樁土作用采用土彈簧模型進行模擬[5,6]。有限元模型如圖2所示。

圖1 支座布置圖

圖2 三跨連續(xù)鋼箱梁橋有限元模型

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性分析

動力特性有限元模型采用上述有限元模型及邊界條件。橋梁結(jié)構(gòu)基本上是均質(zhì)的，可以認為阻尼不引起振型耦合，一般采用Rayleigh阻尼[7-9]，即結(jié)構(gòu)阻尼矩陣可由結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣和剛度矩陣線性組合。通過調(diào)整墩高為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m，設置6種工況，分別采用Ritz向量法分析橋梁結(jié)構(gòu)的前400階周期。由于篇幅有限，本文選取每種工況前十階周期，匯總?cè)鐖D3所示。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，墩高對橋梁結(jié)構(gòu)前4階的周期影響較大，對高階的周期影響較小；另外，當墩高從5 m變到15 m時，墩高對結(jié)構(gòu)周期的影響較小，當墩高達到20 m時，對結(jié)構(gòu)周期的影響較大，特別是對第一階周期的影響最大。

圖3 不同墩高的前十階周期對比圖

2.3 橋梁結(jié)構(gòu)的反應譜分析

2.3.1 設計反應譜

該橋所在區(qū)域場地特征周期為0.35 s，地震動基本加速度峰值為0.1g。主跨126 m，屬于B類橋梁，工程場地類別為Ⅱ類，環(huán)境類別為Ⅰ類。橋址為7度區(qū)，抗震措施按照提高一度(8度區(qū))設防，其E1地震作用時，抗震重要性系數(shù)Ci=1.0，E2地震作用時，抗震重要性系數(shù)Ci=1.7。參考《公路橋梁抗震設計規(guī)范》(JTG/T 2231-01-2020),可得設計加速度反應譜，如圖4所示。

圖4 E1、E2設計反應譜

2.3.2 墩頂漂移比

該橋有1#和2#兩個主墩，由圖1可知1#主墩縱橋向放開，橫橋向固定，2#主墩為固定墩。由于篇幅限制，本文僅研究縱橋向E1、E2地震作用下，不同墩高對主墩墩頂位移的影響，通過墩頂漂移比來進行分析，計算結(jié)果見表1。

表1 不同工況對應的墩頂漂移比

由表1可知，在E1、E2地震作用下，隨著墩高的不斷增大，1#橋墩和2#橋墩的墩頂漂移比均隨之增加。另外，在E1、E2作用下，2#橋墩的墩頂漂移比均遠大于1#橋墩，且同一橋墩在E1、E2作用下的墩頂漂移比值是成比例的。其中,在E1、E2作用下，當墩高為5 m時，兩者比值最大，均為6.8倍；當墩高為30 m時，兩者比值最小，均為2.4倍。這主要是由于2#橋墩處的支座沿縱橋向是固定的，地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)對2#橋墩的影響更大。

2.3.3 墩底截面彎矩

由于篇幅限制，本文僅研究縱橋向E1、E2地震作用下，不同墩高對主墩墩底彎矩的影響，計算結(jié)果見表2。

表2 不同工況對應的墩底彎矩

由表2可知，在E1、E2地震作用下，隨著墩高的增加，1#橋墩和2#橋墩的墩底彎矩均隨之增加。另外，E1、E2作用下，2#橋墩的墩底彎矩均遠大于1#橋墩，同一橋墩在E1、E2作用下的墩底彎矩也是成比例的。其中,在E1、E2作用下，墩高為5 m時，兩者比值最大，均為14.3倍；當墩高為30 m時，兩者比值最小，均為2.2倍。這主要是由于2#橋墩處的支座沿縱橋向是固定的，地震作用下，橋梁上部結(jié)構(gòu)對2#橋墩的影響更大。

3 結(jié) 論

本文以三跨連續(xù)鋼箱梁橋為研究對象，采用SAP2000建立有限元模型，通過調(diào)整墩高來進行動力特性和反應譜分析，以結(jié)構(gòu)周期、墩頂漂移比、墩底彎矩為分析參數(shù)，研究墩高對三跨連續(xù)鋼箱梁的影響，得出以下結(jié)論：

(1)墩高對橋梁結(jié)構(gòu)的前4階周期影響較大，對高階周期影響較小，且墩高小于15 m時，周期對墩高的敏感度較小，墩高達到20 m后，周期對墩高的敏感度提高，尤其是對第一階周期的改變最為明顯。

(2)在E1、E2地震作用下，橋墩的墩頂漂移比及墩底彎矩均隨著墩高的增加而增加，且2#墩的墩頂漂移比及墩底彎矩均遠大于1#墩。故在橋梁抗震設計中，應著重考慮固定支座下橋墩的墩高及截面設計，加強墩底截面配筋。