多維地震作用下大跨度連續剛構橋動力響應研究

坎 彬

(云南省交通規劃設計研究院有限公司,云南 昆明 650041)

0 引言

連續剛構橋[1]具有跨越能力強、造型優美等特點，被廣泛應用于高速公路中。由于連續剛構橋為多次超靜定結構[2]，在地震等作用下會產生較大的內力，使得對結構受力產生不利影響[3]。

為了解決地震作用對連續剛構橋的影響，學者們對連續剛構橋地震響應進行了研究[4-6]。肖龍等[7]在考慮地震動的長周期特性基礎上，對規范反應譜進行修正，基于修正的反應譜探究了某高墩連續剛構橋地震響應；李軍等[8]通過耐震時程法研究了連續剛構橋動力響應以及橋墩損傷情況；王東升等[9]總結和歸納了我國當前連續剛構橋地震響應問題，并提出了當前連續剛構橋抗震研究存在的不足之處；劉國強[10]、楊廣庭[11]、李俊[12]分別從交通運行效率、不等高墩和高烈度地震角度研究了連續剛構橋地震響應。

上述成果探究了連續剛構橋在單維地震作用下的動力響應，然而理論研究和震害情況表明，地震發生時地面應當產生復雜的多維運動，且結構考慮多維地震作用下的響應明顯異于單維地震情況。為了研究多維地震對連續剛構橋的影響，本文以西南地區某超大跨度雙肢薄壁墩[13]連續剛構橋為工程背景，探究多維地震作用下剛構橋的動力響應問題。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

為探究多維地震作用下超大跨度連續剛構橋動力響應問題，以跨徑為(106+200+106) m的雙肢薄壁墩連續剛構橋為工程背景，該橋的橋型布置情況如圖1所示。

剛構橋主梁采用單箱單室箱形截面，箱梁頂寬11.5 m，底寬7 m，兩側翼緣懸臂長度2.25 m。箱梁橋墩支點處梁高12.6 m，跨中4.4 m，按1.8次拋物線漸變。

中間墩采用變截面雙薄壁墩，墩身寬8.0 m，厚2.2 m，相鄰兩薄壁墩凈距6.0 m。

主要材料如下：

1)混凝土：上部箱梁采用C55混凝土，主墩墩身、過渡墩墩帽、支座墊石的混凝土采用C50混凝土，過渡墩墩身采用C40混凝土，過渡墩承臺、橋墩樁基、擋塊及防撞護欄采用C30混凝土;承臺墊層采用C25片石混凝土。

2)預應力鋼束：縱、橫向預應力束采用標準強度1 860 MPa 低松弛鋼絞線，公稱直徑15.2 mm，公稱面積140.0 mm2，彈性模量1.95×105MPa。

1.2 地震荷載

該橋橋址處地震動峰值加速度為0.1g，反應譜特征周期為0.35 s，設計地震分組為第一組，相當于地震基本烈度區劃等于7度區，場地類別為Ⅰ類。首先結合橋址處場地條件，并結合JTG/T 2231-01—2020公路橋梁抗震設計規范可知，該橋抗震設防類別為A類，可得到如圖2所示的加速度反應譜，其次將得到的規范反應譜作為目標反應譜，不考慮地震行波效應的影響，利用地震動人工合成法得到3條水平波和1條豎向波如圖3所示。

1.3 工況設置

由于地震一般以時程的形式對橋梁結構進行激勵，且地震激勵方向難以預見，因此地震時程分析時以縱向+橫向+豎向的三向多維地震激勵較為合理，工況設置情況如表1所示。

表1 工況設置

2 模型及動力特性

2.1 計算模型

為了探究上述計算工況下剛構橋的動力響應問題，有必要利用有限元軟件建立上述三跨雙肢薄壁高墩連續剛構橋計算模型，全橋采用梁單元模擬主梁、橋墩、樁基以及承臺，采用彈性連接模擬梁端支座。在樁基進行固結約束，在梁端約束豎向和橫向位移，縱向放開。全橋共計1 100個節點，870個單元，預應力鋼束通過輸入鋼束坐標并分配給主梁相應單元進行模擬，計算模型如圖4所示。

2.2 動力特性

動力特性是結構固有屬性，對結構動力特性進行研究有助于理解和掌握結構基本受力特點，也是后續復雜的結構地震響應分析的基礎，該橋結構自振特性如表2所示。

表2 結構自振特性

3 計算與分析

3.1 反應譜工況

1)位移。

按表1中計算工況1和計算工況2可得到反應譜兩個計算工況下的主梁豎向、縱向和橫向位移，三者對應的最大位移值和位置如表3，圖5所示。

表3 位移計算值

分析表3，圖5可知：

a.在縱向+豎向地震作用下的主梁豎向位移、縱向位移和橫向位移分別為0.050 8 m,0.304 m和0.003 m，最大值發生在2號墩頂主梁截面的縱向位移。

b.在橫向+豎向地震作用下的主梁豎向位移、縱向位移和橫向位移分別為0.054 m,0.005 m和0.381 m，最大值發生在主跨跨中2號墩方向13 m處的橫向位移。

c.縱(橫)向+豎向地震下的縱(橫)向位移最大，這是因為縱(橫)向地震容易激發橋梁結構的縱(橫)向振型，進而導致縱(橫)向的位移值較大。

2)內力。

按表1中計算工況1和計算工況2可得到反應譜兩個計算工況下的彎矩、剪力、扭矩和軸力計算，結果如表4，圖6所示。

表4 內力計算值

分析表4，圖6可知：a.兩種地震工況作用下的彎矩值最大，尤其在橫向+豎向地震下的彎矩值最大，說明橫向剛度可能較低。b.在縱向+豎向地震作用下的彎矩、剪力、扭矩和軸力最大值分別為5.40×104kN·m，1.99×104kN，2.89×10-2kN·m和3.38×104kN。c.在橫向+豎向地震作用下的彎矩、剪力、扭矩和軸力最大值分別為6.34×105kN·m，2.06×104kN，8.89×104kN·m和3.39×104kN。

3.2 時程工況

1)位移。限于篇幅，下面僅給出了時程波1的縱向和橫向位移時程(如圖7所示)，而三個時程工況下的主梁縱向、橫向和豎向位移如表5所示。

表5 位移計算值

分析圖7，表5可知：a.整體而言，三個時程計算工況下的主梁縱向、橫向和豎向位移大體相差不大，這是因為三個計算工況均為三向地震激勵，且三條水平波PGA相差不大。b.仔細對比分析可知，工況5下的位移值最大，這是因為人工波3下的PGA最大，其次為人工波1，最小為人工波2。

2)內力。三個時程工況下的彎矩、剪力、扭矩和軸力計算結果見表6，圖8。

表6 內力計算值

分析表6，圖8可知：

a.三個時程計算工況下的彎矩值最大，且最大值發生在時程工況5即人工波3作用時矮墩承臺底(見圖9(a))。

b.三個時程計算工況下的墩頂附近主梁截面軸力較大(見圖9(b))，在地震設計時，要適當加強墩頂截面軸向抗壓能力。

限于篇幅，下面僅給出三個時程計算工況也即三條人工波下的彎矩隨時間變化規律，如圖10所示。

分析圖10可知，三個時程計算工況下彎矩時程變化趨勢基本保持一致，且整體波形與地震波時程類似。

4 結論

1)在縱向+豎向地震、橫向+豎向反應譜地震作用下的位移最大值分別為0.304 m和0.381 m，分別為縱向和橫向位移，這是因為縱(橫)向地震容易激發橋梁結構的縱(橫)向振型。2)在橫向+豎向反應譜地震工況下的內力值最大，其彎矩、剪力、扭矩和軸力最大值分別為6.34×105kN·m，2.06×104kN，8.89×104kN·m和3.39×104kN。3)三個時程計算工況下的主梁縱向、橫向和豎向位移大體相差不大，這是因為三個計算工況均為三向地震激勵，且三條水平波PGA相差不大。4)三個時程計算工況下的彎矩值最大，發生在矮墩承臺底，而軸力最大值發生在墩頂附近主梁截面，在地震設計時，要適當加強墩頂截面軸向抗壓能力。