謝修辭 徐永路

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000； 2.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000)

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引橋?qū)形墩連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響分析

謝修辭1徐永路2

(1.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430000； 2.成都建筑材料工業(yè)設(shè)計(jì)院，四川 成都 610000)

以海南省定海大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎脮r(shí)程分析法，對(duì)V形墩連續(xù)剛構(gòu)主橋、僅使用抗震支座的主橋和聯(lián)入引橋的全橋三種情況分別進(jìn)行時(shí)程分析，結(jié)果表明，引橋?qū)形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的影響大于抗震支座，即可以在引橋上做精細(xì)化設(shè)計(jì)來(lái)提升剛構(gòu)橋的抗震能力。

連續(xù)剛構(gòu)橋，地震響應(yīng)，時(shí)程分析

V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)儆诙啻纬o定結(jié)構(gòu)，受力上同時(shí)具有連續(xù)梁和斜腿剛架的特點(diǎn)，相對(duì)比較復(fù)雜[1]。在進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，若橋梁的計(jì)算模型較大，為保證計(jì)算效率，工程師們有時(shí)會(huì)忽略引橋?qū)χ鳂虻挠绊?，然而引橋?qū)χ鳂虻挠绊懯桥c全橋的結(jié)構(gòu)形式有一定聯(lián)系的，并不是隨隨便便就可以忽略的。

1 工程概況

海南省定海大橋位于定安縣定城鎮(zhèn)西北角，是定安、海口、澄邁三市縣的交通要道。全橋分為左右兩幅，南北引橋及主橋三段。其主橋布置跨徑55 m+100 m+55 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋，15號(hào)、16號(hào)墩為V形斜腿主墩；南引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，北引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力預(yù)制連續(xù)小箱梁拼裝結(jié)構(gòu)。相關(guān)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

1)道路等級(jí)：一級(jí)公路兼城市主干道功能，雙向六車道,設(shè)計(jì)速度為60 km/h；2)橫斷面布置：橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面全寬29.5 m，分為上、下行分離的兩幅，單幅橋?qū)?4.5 m，兩幅橋凈距0.5 m，人行道寬2.25 m，非機(jī)動(dòng)車道寬3 m，機(jī)動(dòng)車道寬8.25 m；3)地震：項(xiàng)目沿線場(chǎng)地地震設(shè)防烈度為8度，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g；4)橋梁抗震設(shè)防類別為B類，采用二級(jí)水準(zhǔn)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，即E1地震作用下的水平地震動(dòng)峰值加速度Amax=0.066 3g，E2地震作用下的水平地震動(dòng)峰值加速度Amax=0.367 3g。

根據(jù)定海大橋的上述工程實(shí)際情況，在Midas/Civil中建立大

橋的空間三維有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，模型如圖1所示。

2 工況劃分

現(xiàn)對(duì)定海大橋分三種工況，采用Midas/Civil分別進(jìn)行E2地震作用下的時(shí)程分析：

工況一：V形墩連續(xù)剛構(gòu)主橋，使用8個(gè)盆式支座，4個(gè)GPZ(Ⅱ)3.5DX與4個(gè)GPZ(Ⅱ)3.5SX安裝在兩側(cè)過(guò)渡墩墩頂。

工況二：V形墩連續(xù)剛構(gòu)主橋，使用8個(gè)型號(hào)為HDR(Ⅰ)-570×570×251-G1.2的高阻尼橡膠支座，設(shè)置在兩側(cè)過(guò)渡墩墩頂。

工況三：V形墩連續(xù)剛構(gòu)主橋，使用8個(gè)盆式支座，4個(gè)GPZ(Ⅱ)3.5DX與4個(gè)GPZ(Ⅱ)3.5SX安裝在兩側(cè)過(guò)渡墩墩頂，并聯(lián)入南北引橋。

3 時(shí)程分析

時(shí)程分析是將地震記錄的實(shí)際地震波或人工合成的地震波加載到結(jié)構(gòu)上，直接對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程積分求解，并求得結(jié)構(gòu)在地震時(shí)間歷程上任意時(shí)刻的地震響應(yīng)的方法[2]。時(shí)程分析法可考慮結(jié)構(gòu)的塑性特征，并能進(jìn)行非線性分析[3]，本文因工況二中存在非線性抗震支座，故選擇采用此方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析。

3.1 地震動(dòng)輸入

時(shí)程分析的結(jié)果與地震動(dòng)輸入直接相關(guān)，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)時(shí)程分析時(shí)，首先要選擇合適的地震波。在地震波選取的原則上，業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為應(yīng)以“地震動(dòng)三要素”的調(diào)整作為控制條件，即采取比例調(diào)整的方法使地震動(dòng)的峰值、頻譜特性和持時(shí)與規(guī)范規(guī)定相近[4,5]。現(xiàn)階段，按上述選波原則，常根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的建筑場(chǎng)地環(huán)境類別與抗震烈度，從典型的強(qiáng)震記錄與人工合成地震波中選擇一種作為地震動(dòng)的輸入方式。在定海大橋的安評(píng)報(bào)告中已經(jīng)提供了E1，E2水準(zhǔn)下共14條人工合成地震波。本文根據(jù)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則，現(xiàn)只對(duì)定海大橋進(jìn)行E2水準(zhǔn)作用下的時(shí)程分析，從E2水準(zhǔn)作用下的地震波中選取圖2～圖4三條進(jìn)行時(shí)程分析[6]。

3.2 時(shí)程分析結(jié)果

本文對(duì)定海大橋全橋進(jìn)行E2地震作用一致激勵(lì)下縱向+橫向+0.5豎向地震動(dòng)組合的非線性時(shí)程分析，內(nèi)力值取三組組合中響應(yīng)最大的為最終結(jié)果。14號(hào)、17號(hào)墩為過(guò)渡墩，15號(hào)、16號(hào)墩為V形斜腿主墩，在下文中將主要通過(guò)評(píng)判主橋14號(hào)～17號(hào)墩墩底的內(nèi)力變化情況來(lái)確定引橋與抗震支座對(duì)地震響應(yīng)的影響效果。三種工況下，四橋墩墩底內(nèi)力分布情況如圖5～圖8所示。

從圖5～圖8可明顯看出，除了工況三過(guò)渡墩的面內(nèi)彎矩有少量提升外，工況三的其他三種內(nèi)力降低幅度都顯著大于工況二。在此也說(shuō)明了，在地震發(fā)生時(shí)，引橋?qū)χ鳂蚱鸬搅艘欢ǖ谋Ｗo(hù)作用。

3.3 減震效果計(jì)算

將工況二、工況三分別對(duì)比工況一的分析結(jié)果，從而計(jì)算出工況二、三的減震效果，如表1所示，其中剪力與彎矩的單位依次為kN，×103kN·m。

表1 工況二、工況三減震效果統(tǒng)計(jì)表

表1中計(jì)算的是各工況下某一墩底某種內(nèi)力的減震效果，其中有些內(nèi)力得到了降低，但也有某些內(nèi)力值卻提升了。為了方便表述工況二、三的減震效果，現(xiàn)運(yùn)用公路橋梁抗震細(xì)則中各類橋梁的抗震重要性系數(shù)Ci來(lái)對(duì)表1中的減震率進(jìn)行加權(quán)平均運(yùn)算，以求得某種內(nèi)力減震效果的綜合評(píng)判指標(biāo)。該橋是B類橋梁，且現(xiàn)在進(jìn)行的是E2地震作用下的時(shí)程分析，故將主墩的分項(xiàng)系數(shù)選定為1.7，過(guò)渡墩的分項(xiàng)系數(shù)選定為1.3。

綜合減震效果計(jì)算公式如下：

(1)

其中，ci為橋墩的分項(xiàng)系數(shù)；ρi為某工況下橋墩的減震率。

將表1中的減震率代入式(1)，求得工況二、三各種內(nèi)力的綜合減震效果見(jiàn)表2。

表2 工況二、工況三綜合減震效果統(tǒng)計(jì)表 %

由表2可知，在墩底面內(nèi)剪力、面內(nèi)彎矩、面外彎矩三項(xiàng)指標(biāo)上，考慮引橋聯(lián)入主橋的地震響應(yīng)結(jié)果要比僅考慮抗震支座的效果好。另外，在面外剪力上，兩種情況的減震效果相當(dāng)。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋這種剛度較大的橋型，通過(guò)更換抗震支座來(lái)延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)自振周期，從而避開(kāi)地震卓越周期的辦法并不是非常好用，因?yàn)槁?lián)入的柔性構(gòu)件并不能在結(jié)構(gòu)面內(nèi)有效降低剛構(gòu)橋的剛度。而另一面，在地震作用下引橋?qū)χ鳂蚴蔷哂幸欢ǖ谋Ｗo(hù)作用的，對(duì)于V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋該橋型，有時(shí)引橋?qū)χ鳂虻臏p震效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于抗震支座。因此，在大型剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)分析中不能隨便忽略引橋的作用。當(dāng)然，為增強(qiáng)剛構(gòu)橋在地震中的抗震能力，以后也完全可以在引橋上進(jìn)行一些精細(xì)化設(shè)計(jì)。

[1] 趙順波,劉世明,楊竹林.V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的造型與結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)研究[J].河南大學(xué)學(xué)報(bào),2010,40(1):101-104.

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

[3] 謝 旭.橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析與抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 劉小林.大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋延性抗震分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[5] 龍曉鴻.斜拉橋及連續(xù)梁橋空間地震反應(yīng)分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2004.

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

Influence analysis of the approach bridges on the earthquake response of V-shaped piers of continuous rigid-frame bridge

Xie Xiuci1Xu Yonglu2

(1.WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430000,China； 2.ChengduDesign&ResearchInstituteofBuildingMaterialsIndustryCo.,Ltd，Chengdu610000,China)

With the background of Hainan Province Dinghai Bridge, time history analysis method was used on the V-shaped piers of continuous rigid-frame main bridge, main bridge which anti-seismic bearing and entire bridge without anti-seismic bearing. The result indicated that approach bridges is more effective on shock absorption than anti-seismic bearing. So could make some detailed designs on approach bridges to increase the seismic capability of rigid frame bridge.

continuous rigid-frame bridge, earthquake response, history analysis

1009-6825(2016)32-0178-03

2016-09-04

謝修辭(1991- )，男，在讀碩士； 徐永路(1989- )，男，碩士，助理工程師

U442.5

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