考慮地震響應的連續剛構橋下部結構設計研究

馬如飛

摘要 為研究連續剛構橋下部結構的動力特性、地震響應規律，文章以橋梁下部結構內力、位移為研究對象，通過Ansys有限元分析探究橋墩類型、墩截面形式與結構力學參數間關系，以樁土作用、墩底固結情況分別確定連續剛構橋在地震作用下的敏感參數及其變化規律。結果表明：按墩底固結分析得到的墩柱內力、位移，較按樁土共同作用分析更保守；雙薄壁墩連續剛構橋較單薄壁墩連續剛構橋整體剛度、結構頻率、主梁彎矩、主梁位移及墩底應力小；相同截面積下，實心墩連續剛構橋較空心墩連續剛構橋結構頻率小、抗震性能優。

關鍵詞 地震響應；連續剛構橋；下部結構

中圖分類號 U448.23文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0087-03

0 引言

連續剛構橋行車平順、施工便捷，且適應大跨度建設，近些年得以快速推廣應用[1]。已有連續剛構橋地震響應研究主要探究單因素影響，欠缺系統性規律總結。該文通過對比單/雙薄壁墩、實心/空心截面下結構的動力特性及地震響應，探究了地震作用下連續剛構橋的敏感參數及變化規律。

1 工程概況

依托某曲線連續剛構橋（110 m+200 m+110 m）展開分析，下部結構設計參數如表1所示。地震波輸入無明確主方向，彈性設計時地震波按順橋向、橫橋向兩個方向分別驗算，不考慮多點激勵、相位差影響。

通過Ansys建立并分析有限元模型，采用beam188單元定義主梁、橋墩，取各施工段質量、慣矩平均值定義材料。限制邊墩的豎向位移、橫向位移、扭轉約束及橫向彎曲。

考慮樁土共同作用（SSI）時，模型定義遵循以下假設[2]：

（1）用等代線彈性土彈簧桿單元模擬土層恢復力性質，以“m”法計算剛度。

（2）忽略樁周豎向摩阻力及其他外力影響。

（3）忽略群樁中各樁間相互影響。

樁基簡化為連續梁，樁群附近土體按等剛度原則簡化為Link8單元（等代土彈簧桿單元），桿單元一端固定，一端與樁基相連[3]。桿單元截面積換算如下：

式中，m——地基土比例系數；Z——土體深度；a——土層厚度；bp——土層對樁的有效作用寬度；l——桿單位長度，取為1 m；E——樁的彈性模量。

采用Elcentro記錄定義模型地震波輸入，調幅加速度峰值amax為0.2 g[4]。該波持續時間為20 s，時間間隔為0.02 s，記錄周期范圍為0.25～0.60 s，動力放大系數為2.689。

2 橋墩類型影響分析

分別建立單、雙薄壁墩連續剛構橋有限元模型。單薄壁墩截面尺寸為7 m×8 m，壁厚為1.1 m、1.4 m。樁底固結較實際地質條件差異顯著，因此僅考慮SSI（樁土共同作用）及NOSSI（墩底固結）情況。

2.1 動力特性

結構頻率隨橋墩類型變化如圖1所示。

由圖1可知，墩底固結情況下橋墩類型對結構橫向、縱向動力特性影響顯著，單薄壁墩連續剛構橋橫向一階頻率較雙薄壁墩連續剛構橋提升約10%，單薄壁墩連續剛構橋縱向一階頻率較雙薄壁墩連續剛構橋提升約40%；樁土共同作用情況下橋墩類型對結構橫向動力特性的影響可忽略，但縱向動力特性影響顯著，單薄壁墩連續剛構橋縱向一階頻率較雙薄壁墩連續剛構橋提升約4%，單薄壁墩連續剛構橋縱向一階頻率較雙薄壁墩連續剛構橋提升約35%。

2.2 順橋向地震響應

施加順橋梁激勵，結構內力、位移隨橋墩類型變化如圖2所示。

由圖2可知：

（1）考慮墩底固結，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，主梁豎向彎矩降幅約為45%～80%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，主梁豎向彎矩降幅約為35%～60%。

（2）考慮墩底固結，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，墩底縱向應力、縱向剪力降幅約為70%、50%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，墩底縱向彎矩、縱向剪力降幅約為30%、62%。

（3）相較于單薄壁墩，采用雙薄壁墩能降低主梁豎向彎矩、豎向位移，減少結構縱向一階頻率。

2.3 橫橋向地震響應

施加橫橋梁激勵，結構內力、位移隨橋墩類型變化如圖3所示。

由圖3可知：

（1）考慮墩底固結，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，主梁邊跨跨中及邊跨根部橫向彎矩增幅約為4%、2%，主梁中跨根部及中跨跨中橫向彎矩降幅約為8%、16%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，邊跨跨中、中跨主梁根部及中跨跨中橫向彎矩增幅約為7%、6%、3%，邊跨主梁根部橫向彎矩降幅約為13%。

（2）考慮墩底固結，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，墩底橫向應力、橫向剪力降幅約為23%、47%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉變為雙薄壁墩，墩底橫向彎矩、橫向剪力降幅約為10%、50%。

（3）相較于單薄壁墩，采用雙薄壁墩能降低主梁橫向彎矩、橫向位移，減少結構橫向一階頻率。

3 墩截面形式影響分析

分別建立實心、空心墩截面連續剛構橋有限元模型。樁底固結較實際地質條件差異顯著，因此僅考慮SSI（樁土共同作用）及NOSSI（墩底固結）情況。

3.1 動力特性分析

結構頻率隨橋墩類型變化如圖4所示。

由圖4可知，實心墩連續剛構橋體系更柔，結構頻率更小。墩底固結情況下實心墩連續剛構橋較空心墩橫向一階頻率下降約10%，縱向一階頻率下降約37%，豎向一階頻率下降約7%；樁土共同作用情況下實心墩連續剛構橋較空心墩橫向一階頻率下降約41%，縱向一階頻率下降約13%，豎向一階頻率下降約5%。

3.2 順橋向地震響應

施加順橋梁激勵，結構內力、位移隨墩截面形式變化如圖5所示。

由圖5可知：考慮墩底固結，由空心墩轉變為實心墩，墩底縱向應力、墩底軸力降幅約為6%、30%；考慮樁土共同作用，由空心墩轉變為實心墩，墩底縱向應力增幅約為9%，縱向剪力、墩底軸力降幅約為50%、20%。相較于空心墩，采用實心墩能減少結構縱向一階頻率，提高墩底軸力。

3.3 橫橋向地震響應

施加橫橋梁激勵，結構內力隨墩截面形式變化如圖6所示。

由圖6可知：考慮墩底固結，由空心墩轉變為實心墩，墩底橫向應力、墩底軸力降幅約為3%、43%，橫向剪力增幅約為4%；考慮樁土共同作用，由空心墩轉變為實心墩，墩底橫向應力、墩底軸力增幅約為16%，橫縱向剪力降幅約為8%。相較于空心墩，采用實心墩會提高墩底軸力，實心墩連續剛構橋抗震性能優于空心墩連續剛構橋。

4 結語

該文依托具體工程實例，通過數值分析主要探究了墩柱類型、截面形式對連續剛構橋動力特性、地震響應的作用規律。研究結果表明：

（1）墩底固結假定下計算得到：墩柱內力、位移較樁土共同作用假定更保守。

（2）地基土層性質對地震響應分析作用顯著。

（3）相較于單薄壁墩連續剛構橋，雙薄壁墩連續剛構橋整體剛度、結構頻率、主梁彎矩、主梁位移及墩底應力更小。

（4）相較于空心墩連續剛構橋，同截面面積的實心墩連續剛構橋結構頻率更小、抗震性能更優。

參考文獻

[1]周勇軍. 高墩大跨曲線連續剛構橋梁地震響應的設計參數研究[D]. 西安：長安大學， 2006.

[2]尹成， 余錢華. 樁土相互作用對大跨度剛構橋抗震影響分析[J]. 公路與汽運， 2020（2）： 119-121.

[3]張炳鑫. 考慮梁端碰撞效應的大跨高墩連續剛構橋梁地震易損性分析[D]. 成都：西南交通大學， 2020.

[4]劉洋. 曲線剛構橋的動力特性與地震響應分析[D]. 昆明：昆明理工大學， 2020.