梅曉亮

0 引言

近年來(lái)，結(jié)構(gòu)的抗震性能越來(lái)越受到人們的重視，橋梁結(jié)構(gòu)作為公路和鐵路的控制工程，往往關(guān)系運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的暢通，其抗震性能尤顯重要。連續(xù)剛構(gòu)橋梁自20世紀(jì)80年代引入我國(guó)，便得到了廣泛的應(yīng)用與關(guān)注［1，2］，關(guān)于其在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究也比較多，但設(shè)計(jì)工作中，往往忽略水流對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。地震作用下，深水的動(dòng)力作用會(huì)對(duì)橋梁的動(dòng)力特性產(chǎn)生較大的影響:處于深水中的橋墩在水平地震作用下，會(huì)產(chǎn)生橫向彎曲振動(dòng)，橋墩由于與水體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，受到深水的壓力作用，因此對(duì)主墩處于深水中的連續(xù)剛構(gòu)橋來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行抗震分析時(shí)，應(yīng)對(duì)水體的動(dòng)力作用加以適當(dāng)?shù)目紤]［3］。本文以某三跨連續(xù)剛構(gòu)為例，就橋墩與深水相互作用下的地震動(dòng)力特性進(jìn)行了分析計(jì)算。

1 工程概況

本文所選分析對(duì)象為(75+135+75)m三跨連續(xù)剛構(gòu)，雙向六車道，設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，地震基本烈度為7度，按8度設(shè)防，其他基本參數(shù)如下:

主梁截面形式:單箱單室箱形截面，主梁底部沿二次曲線變化，梁高 2.8 m ～6.8 m;

橋墩類型:雙薄壁空心墩，整體式承臺(tái)，墩高72 m;

基礎(chǔ)類型:樁基;

設(shè)計(jì)行車速度:100 km/h。

2 計(jì)算工況及動(dòng)參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

采用大型橋梁結(jié)構(gòu)專用分析軟件Midas-Civil，建立全橋空間模型，模型建立時(shí)著重于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬:主梁、橋墩以及承臺(tái)和樁基采用梁?jiǎn)卧M;主梁與橋墩之間的連接采用剛性單元模擬;利用主從單元模擬支座;以慣性力和附加質(zhì)量的方式模擬深水對(duì)主墩的作用［4，5］。計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算工況

2.2 反應(yīng)譜函數(shù)

參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》規(guī)定的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜方法，確定加速度反應(yīng)譜:采用瑞利阻尼，橋梁抗震重要性系數(shù)取0.5;場(chǎng)地系數(shù)取值1.0;A值選取0.30g;區(qū)劃圖上的特征周期是0.45 s。加速度反應(yīng)譜如圖2所示。

圖2 加速度反應(yīng)譜

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用建立的空間模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的反應(yīng)譜和動(dòng)力特性分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析中的特征方程求解采用子空間迭代法，計(jì)算取前500階振型，振型組合按CQC方法進(jìn)行。分析了深水作用對(duì)其地震反應(yīng)的影響，對(duì)不考慮深水影響的結(jié)果(工況一)，與考慮深水影響的結(jié)果(工況二)進(jìn)行比較。

3.1 自振頻率與周期

兩種結(jié)構(gòu)的前10階模態(tài)的頻率如表1所示。

表1 兩種工況的前10階振動(dòng)頻率

結(jié)構(gòu)的首階振型周期是3.61 s，超過(guò)2 s，屬于較柔結(jié)構(gòu)，其第一階振型為薄壁墩的縱向振動(dòng)，說(shuō)明墩的縱橋向剛度較橫橋向小。

從模態(tài)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，考慮深水作用時(shí)，橋梁的自振頻率減小，自振周期變大。

3.2 內(nèi)力分析

工況一與工況二的主要節(jié)點(diǎn)軸力如圖3所示。

通過(guò)比較工況一和工況二的兩組軸力數(shù)據(jù)，工況二在主梁中跨跨中的位置單元軸力增大122.8%，墩梁結(jié)合處平均增大214.7%，兩墩墩頂分別增大 130.9% 和 143.3%，墩底增大114.2%和 134.9%。

由此可知，在連續(xù)剛構(gòu)橋的地震分析中，考慮深水作用對(duì)橋梁主梁和主墩軸力都有很大的影響。

工況一與工況二的主要節(jié)點(diǎn)內(nèi)力如圖4所示。

由圖4可以看出，工況一比工況二在跨中部位，扭矩減小50%，面內(nèi)彎矩減小90%，面外彎矩值增大59%;墩梁結(jié)合處扭矩值平均減小1.4%，面內(nèi)彎矩值減小91.1%，面外彎矩值增大6.7%;墩頂處扭矩值平均減小0.5%，面內(nèi)彎矩值分別增大41.1%和97.8%，面外彎矩值分別增大 100.5%和 24.8%;墩底處，扭矩值平均減小0.5%，面內(nèi)彎矩值分別增大63.2%和326.9%，面外彎矩值分別減小29.9%和增大18.8%。

通過(guò)上述分析可見(jiàn)，考慮深水作用，對(duì)主梁和主墩的扭矩和彎矩值都有很大的影響。

圖3 工況一與工況二軸力比較圖（單位：kN）

圖4 工況一與工況二彎矩、扭矩比較圖（單位：kN·m）

3.3 位移分析

通過(guò)計(jì)算，工況一與工況二的位移對(duì)比圖如圖5所示。

通過(guò)比較工況一和工況二的位移，不難發(fā)現(xiàn):在跨中部位，順橋向位移在墩底位置的變化較為明顯，工況二比工況一分別增大89.1%和135.9%，其他部位增幅相對(duì)均勻，在32.3%左右;橫橋向位移在各個(gè)部位都有顯著地變化，跨中位置增大149.2%，墩梁結(jié)合處平均252.3%，墩頂位置平均265.5%，墩底位置415.7%。

豎向位移在各個(gè)位置都有所減小。

圖5 工況一與工況二位移比較圖（單位：m）

4 結(jié)語(yǔ)

在連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震分析中考慮深水作用，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

1)橋梁的自振頻率減小，自振周期變大。2)橋梁的整體軸力大幅增加，增加一倍以上，而彎矩有所減小或者發(fā)生小幅的變化。3)在位移方面的影響也是很明顯的，尤其是墩頂和墩底位置。4)在建立工況的時(shí)候深水是以慣性力和附加質(zhì)量的方式模擬的，慣性力和附加質(zhì)量都是直接作用在主墩上的，因而在深水作用下橋梁主墩受到的影響最大，需要在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候重點(diǎn)考慮。

［1］ 楊高中.連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展［J］.公路，1998(6):1-7.

［2］ 楊高中，楊征宇，周軍生，等.連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)的應(yīng)用和發(fā)展續(xù)［J］.公路，1998(7):1-5.

［3］ 黃新贊.深水高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震反應(yīng)分析［D］.昆明:昆明理工大學(xué)，2006.

［4］ 李 彤.地震作用下土—群樁—結(jié)構(gòu)—水相互作用體系的動(dòng)力反應(yīng)分析［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，1999.

［5］ 黃小國(guó).連續(xù)剛構(gòu)橋水平地震反應(yīng)分析［D］.西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

［6］ JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［7］ 范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.