劉敬坤，林明莊，應 雪

(中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)研究所，廣東 廣州 510520)

0 引言

波紋鋼腹板PC 組合梁橋是一種經(jīng)濟、高效、施工簡便的新型橋梁形式。自從1988 年ACSI 協(xié)會將波紋鋼腹板PC 組合箱梁作為橋梁結構進行介紹后，世界各國均圍繞這一新的組合結構進行研究。其恰當?shù)貙?、混凝土兩種不同材料結合起來，提高了結構穩(wěn)定性、強度及材料的使用率，有效地解決了傳統(tǒng)混凝土箱梁腹板容易開裂的問題，并大幅度降低腹板的重量來實現(xiàn)主梁的輕質化，從而改善了橋梁的抗震性能。同時，由于波紋鋼腹板軸向剛度很小，腹板對翼板混凝土的約束減弱，收縮徐變效應對開裂影響得到改善，而預應力的導入效率也顯著提高［1－3］。近年來，我國地震頻發(fā)，作為生命線工程的橋梁結構如在地震作用力下發(fā)生破壞，將導致嚴重的次生災害，危害人民群眾的生命和財產(chǎn)安全。因此對這種新型橋梁，研究其動力特性和地震反應特點，探討其在地震作用下的薄弱環(huán)節(jié)，為建立合理的抗震結構體系提供科學依據(jù)，這些都具有重要的現(xiàn)實意義。

結合某主跨120 m 的連續(xù)梁橋的工程背景，將其試設計成波紋鋼腹板梁橋，建立起有限元動力計算模型，對該結構的動力特性進行了計算，采用時程分析方法對其在各向地震動作用下的結構反應特點進行了分析研究，以期為類似工程提供相應參考。

1 對比設計

1.1 工程背景

某PC 連續(xù)箱梁橋為3 跨預應力混凝土變截面連續(xù)剛構體系.跨徑布置為65 m+120 m+65 m，采用單箱單室截面，箱梁寬8 m，翼緣板懸臂4 m，全寬16 m。箱梁高度按1.8 次拋物線變化，根部高6.5 m，端部及跨中高2.5 m;箱梁底板厚度按1.8次拋物線變化，根部厚0.8 m，跨中厚0.25 m，箱梁頂板厚0.28 cm，腹板厚度在0.45 ～0.8 cm 之間。全橋在端支座和中邊跨跨中處共設5 道橫隔板。橋梁主墩為鋼筋混凝土實體墩，墩寬8 m，薄壁厚度為3 m，主墩采用承臺配2 排共6 根樁徑1 m 的鉆孔灌注樁。橋梁的總體布置見圖1。截面尺寸如圖2a所示，截面特性見表1。

圖1 橋梁的總體布置(單位:cm)

圖2 截面尺寸(單位:cm)

表1 截面特性對比表

1.2 對比設計及有限元模型建立

波紋鋼腹板梁橋是在原PC 梁橋的基礎上，用16 ～30 mm 厚的1600 型的波紋鋼腹板替代鋼筋混凝土腹板，相關截面尺寸與原PC 梁橋相同，完成對比設計。截面尺寸如圖2b 所示，截面特性見表1，靜力學驗算結果符合相關規(guī)范的規(guī)定［4－8］。

采用橋梁計算軟件Midas/Civil 2010 模擬建立PC 連續(xù)梁橋和波紋鋼腹板連續(xù)梁橋模型，如圖3a和圖3b 所示，PC 連續(xù)梁橋整體模型包含了節(jié)點86個，單元83 個，其中橋墩和主梁均使用梁單元建立，墩和主梁的連接利用彈性連接，由于橋位處于基巖場地，基巖剛度較大，承臺下采用鉆孔灌注樁于基巖內，因此可以按剛性基礎偏保守考慮。波紋鋼腹板梁橋建立模型的方式與PC 梁橋類似，在其主梁單元中未計入波紋鋼腹板的抗彎剛度，只考慮其自身重量對橋梁的影響。

圖3 有限元模型

2 確定地震波

采用時程法對該橋進行地震反應分析，當無實測地震波時，可根據(jù)頻譜特性、持續(xù)時間和有效峰值三個方面來選取相近的地震波。頻譜特性即設計場地的特征周期與所選用的地震波的特征周期應基本相同;持續(xù)時間是指有效持續(xù)時間;峰值強度可以通過放大系數(shù)使所選用的地震波與實際地震峰值強度一致。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306－2001)劃分，工程背景的場地條件為:地震動峰值加速度小于0.05g，地震動反應譜特性周期0.35 s，對應的地震基本烈度小于Ⅵ度，不考慮地震液化影響。

本文選取的地震波為:1979，James RD.EI Centro，310 Deg。以下分三個方面進行說明。

2.1 頻譜特性

所選用地震波的有效峰值加速度EPA=4.744 m/s2，有效峰值速度EPV=0.267 m/s。特征周期，與場地特征周期0.35 s 接近。

2.2 持續(xù)時間

結構一階自振周期T1=1.329 s，10T1=13.29 s，所選用的地震波持續(xù)時間為37.82 s，有效持續(xù)時間大約為24.5 s，所選用的地震波有效持續(xù)時間滿足要求。

2.3 有效峰值

所選用地震波的放大系數(shù)為:

3 動力特性

結構動力分析是進行結構抗震性能分析的前提，根據(jù)《抗震細則》規(guī)定，結構分析中所考慮的振型階數(shù)在計算方向上獲得90%以上的有效質量，為了滿足振型在各個方向的振型參與質量之和達到要求，保證計算精度，本橋計算了前60 階的頻率與振型，振型參與質量均占95%以上。分析得到了PC梁橋和波紋鋼腹板梁橋的動力特性，表2 給出了兩座橋的前5 階的頻率、周期和振型特征，圖4 為它們的前2 階振型圖。

表2 前5 階自振頻率及振型特征表

圖4 PC 梁橋與波紋鋼腹板梁橋的振型圖

由表2 和圖4 可以看出，波紋鋼腹連續(xù)梁橋的動力特性具有如下特點:

1)PC 梁橋與波紋鋼腹板梁橋的結構基頻都隨著階數(shù)的增大而增大，但是波紋鋼腹板的增大速率明顯高于傳統(tǒng)的PC 梁橋，相應的周期變化則與之相反。

2)PC 梁橋與波紋鋼腹板梁橋的振型特征相差不大，二者前5 階都出現(xiàn)了一次橫向彎曲，不同的是PC 梁橋出現(xiàn)在第3 階振型，而波紋鋼腹板出現(xiàn)在第4 階振型。

4 地震反應分析

采用線性時程方法，分別對縱向、橫向和豎向地震動作用下的兩種橋型的地震反應進行分析。

4.1 縱向地震反應分析

在地震波縱向一致激勵下，兩種橋型的主梁最大位移與最大內力值見表3，由表3 可知在縱向地震作用下，PC 梁橋的主梁最大內力均大于波紋鋼腹板的主梁最大內力，而位移則與之相反。主要原因是PC 梁橋的剛度大于波紋鋼腹板梁橋的剛度?？梢姴y鋼腹板梁橋的反應比PC 梁橋劇烈，但內力小于PC 梁橋，從而具有優(yōu)越的抗震性能。兩種橋型的中跨跨中的豎向位移反應如圖5 所示。

表3 縱向地震作用下位移和內力最大值

圖5 縱向地震作用下兩種橋型的中跨跨中位移反應圖

4.2 橫向地震反應分析

在地震波橫向一致激勵下，兩種橋型的主梁最大位移與最大內力值見表4，它們主梁既無縱向和豎向位移又無軸力，PC 梁橋的橫向位移、剪力和彎矩均大于波紋鋼腹板梁橋的對應值，這是由于兩種橋梁的橫向剛度不同所致，PC 梁橋的橫向剛度要大于波紋鋼腹板梁橋的橫向剛度。兩種橋型的中跨跨中的橫向位移反應如圖6 所示。

4.3 豎向地震反應分析

在地震波豎向一致激勵下，兩種橋型的主梁最大位移與最大內力值見表5，它們的主梁均無橫向位移，波紋鋼腹板的縱向和豎向位移均大于PC 梁橋相應的位移，但是其主梁最大內力小于PC 梁橋的，進一步驗證了波紋鋼腹板梁橋的豎向剛度要小于PC 梁橋，顯示了其抗震方面的優(yōu)越性。兩種橋型的中跨跨中的豎向位移反應如圖7 所示。

表4 橫向地震作用下位移和內力最大值

圖6 橫向地震作用下兩種橋型的中跨跨中位移反應圖

表5 豎向地震作用下位移和內力最大值

圖7 豎向地震作用下兩種橋型的中跨跨中位移反應圖

5 結語

結合某PC 梁橋的設計實例，將其腹板換成波紋鋼腹板對比設計并建立有限元模型，對結構的動力特性進行計算，采用時程分析法對兩種橋型的地震反應特點進行了分析研究，得到了如下結論:

1)PC 梁橋的結構基頻4.855 rad/s 大于波紋鋼腹板梁橋的結構基頻4.728 8 rad/s，二者的一階振型均為縱向對稱，說明PC 梁橋的剛度大于波紋鋼腹板梁橋的剛度。

2)各向地震作用下，兩種橋型的中跨跨中位移在橫向地震作用下的反應最大，說明它們的縱向剛度和豎向剛度均大于它們的橫向剛度;由于傳統(tǒng)的PC 連續(xù)梁橋自重較大，導致各向地震作用下在大部分時段PC 梁橋中跨跨中位移反應值大于波紋鋼腹板梁橋對應的反應值。

3)本文進行了波紋鋼腹板梁橋與PC 梁橋的抗震性能對比，綜合評價波紋鋼腹板梁橋的抗震性能優(yōu)于普通的PC 梁橋，為以后橋梁的設計比選提供參考。

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