韋有波

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

整體式橋臺曲線梁橋抗震性能研究

韋有波

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

以某匝道橋為研究對象，基于ANSYS軟件建立1∶1的三維有限元模型，研究在地震力作用下，整體式橋臺曲線梁橋各部位的加速度動力響應(yīng)，得到結(jié)論：在罕遇地震下整體式橋臺曲線梁橋的加速度放大系數(shù)較多遇地震時大；支座剛度選取的合理性，保證了下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間良好的聯(lián)動性.

整體式橋臺；曲線梁橋；有限元方法；土-結(jié)構(gòu)相互作用；地震加速度

橋梁設(shè)計理論要求，在橋梁設(shè)計時需考慮到后期盡可能少的維修，甚至是“零維護(hù)”，達(dá)到橋梁全壽命總價最低的目的.整體式橋臺橋梁由于其不設(shè)置伸縮縫，也就不存在伸縮裝置破壞和維護(hù)的問題，節(jié)省了工期和橋梁造價，成為當(dāng)前被各國設(shè)計師青睞的“可持續(xù)結(jié)構(gòu)”.

目前，整體式橋臺橋梁成為很多國家橋梁設(shè)計的首選方案，從而得到了應(yīng)用推廣.但是，雖然整體式橋臺橋梁已在國外應(yīng)用多年，但對其過于保守的設(shè)計，制約了整體式橋臺橋梁的發(fā)展.目前對其研究大多處于靜力分析階段，且大部分研究集中在直橋和斜交橋中.

整體式橋臺橋梁是土-結(jié)構(gòu)相互作用的典型例子［1］.橋臺后側(cè)土壓力隨著深度和橋臺位移變化而呈非線性變化；橋臺后側(cè)與樁側(cè)土剛度、橋臺、樁基和橋面板組合的抗彎剛度共同決定橋臺的變形，樁基變形同時與橋臺變形、土體變形有關(guān)，所以說，不能由傳統(tǒng)的靜態(tài)平衡法考慮土-結(jié)構(gòu)的相互作用［2］.此外，土體變形在低地震度下就已進(jìn)入非線性變形狀態(tài)［3］.例如在中強(qiáng)度地震7～9度時，土的剪切模量僅為5度時的10%，［4］，所以在整體式橋梁抗震分析中不容忽視土-結(jié)構(gòu)的非線性相互作用.

1 計算模型

本文以某匝道橋中的曲線梁橋（3×40，m）為工程背景［5］，并把橋臺改為整體式橋臺結(jié)構(gòu).整體式曲線梁橋各材料屬性如表1所示，橋臺側(cè)土質(zhì)為密實性回填土，樁側(cè)土為松散型砂土，對應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別為45°和30°，重度dγ分別取17，kN/m3和15，kN/m3.

表1 材料參數(shù)

建立與實橋1∶1的3D有限元模型，模型曲線半徑為100，m，圓心角120°，跨度為3×40，m，采用等截面箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁橫斷面采用單箱雙室結(jié)構(gòu)，不考慮預(yù)應(yīng)力筋的影響，樁長12，m，墩高5，m，支座采用普通板式橡膠支座，支座水平剛度取1.08×103，kN/m2，豎向剛度取1.393×106，kN/m2.箱梁、橋臺、橋墩采用八節(jié)點六面體SOLID65單元，該單元能夠模擬各項異性材料，每個節(jié)點有3個方向自由度，可解決材料的彈塑性問題.橡膠支座的水平剛度和豎向剛度分別選用COMBIN39和COMBIN7單元進(jìn)行模擬.有限元模型如圖1所示.

圖1 有限元模型

2 動力特性分析

2.1 地震波的選取

時程分析中，地震波的選取是十分重要的，合理的地震波既能反映所在場地條件，又能反映出結(jié)構(gòu)在地震動下的受力與變形特點［6］.在國內(nèi)外文獻(xiàn)中，一般采用的地震波需滿足兩個條件［7］：第一，選取與場地土周期一致的地震動卓越周期；第二，選取地震波持續(xù)時間至少大于10倍的結(jié)構(gòu)自振周期，且包括最強(qiáng)地震部分.目前國際上常用于結(jié)構(gòu)抗震分析的地震波有［8］：①EL-Centor波、Tatf波等；②選擇橋梁所處地區(qū)及附近同類地址下的強(qiáng)震記錄；③選用抗震規(guī)范中的人工地震波.

本文的整體式橋臺曲線梁橋，地區(qū)取II類場地土，反應(yīng)譜特征周期為0.45，s，抗震設(shè)防時烈度取7度，該地區(qū)地震動峰值加速度為0.15，g.由于本文的整體式橋臺曲線梁橋是基于既有曲線連續(xù)梁橋所設(shè)計，故地震波記錄采用了地震發(fā)生歷史中具有代表性的El-Centro地震波、Taft地震波.

2.2 計算結(jié)果分析

在地震發(fā)生時，為了研究加速度由地面?zhèn)鞯綐蛎姘宓倪^程中，整體式橋臺曲線梁橋各部位的加速度動力響應(yīng)，在2號橋墩自下而上每延米處設(shè)置1個觀測點（見圖2），同時在橋墩上的箱梁底板、頂板和橋梁跨中箱梁頂板各設(shè)置1個觀測點，共設(shè)置觀測點10個.

由于建模分析中，未考慮整體式橋臺曲線梁橋的沉降，建模分析中對其橋墩底部進(jìn)行了全約束，所以觀測點GC1位移和加速度值均為0.本文主要考察在不同地震波作用下，結(jié)構(gòu)中加速度的傳播過程.

圖2 2#墩觀測點布置圖（單位：cm）

2.2.1 EL-centro波作用下加速度響應(yīng)分析

將EL-centro波幅值分別調(diào)整為多遇地震幅值0.55，m/s2和罕遇地震幅值3.1，m/s2，作為外激勵輸入到考慮樁-土相互作用的整體式橋臺曲線梁橋的整個結(jié)構(gòu)體系中.加速度放大系數(shù)是指結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)最大值與輸入地震動加速度峰值的比值.

2.2.1.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

通過對整體式橋臺曲線梁橋進(jìn)行時程分析，分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 EL-centro波多遇地震計算結(jié)果

在多遇地震EL-centro波作用下，由圖3可知：

（1）整體式橋臺曲線梁橋各觀測點的加速度在所有時刻的運動趨勢保持一致，不同的是各質(zhì)點的振動幅度.

（2）地震加速度由地面沿橋墩傳至橋面板，在傳播過程中，加速度逐漸增大.加速度的大小與加速度放大系數(shù)在橋墩中（觀測點GC2-GC5）沿直線傳播，在蓋梁至橋面板之間，加速度的大小與加速度放大系數(shù)沿拋物線傳播.

（3）通過加速度的大小與加速度放大系數(shù)在觀測點GC7（蓋梁頂面）和GC8（箱梁底面）即橋墩支座上下連接點之間傳播，可以發(fā)現(xiàn)，本模型中支座剛度選取的合理性，保證了下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間良好的聯(lián)動性.在橋梁抗震中，支座剛度的選取至關(guān)重要.

2.2.1.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

通過對整體式橋臺曲線梁橋進(jìn)行時程分析，分析結(jié)果如圖4所示.

圖4 EL-centro波罕遇地震計算結(jié)果

在罕遇地震EL-centro波作用下，通過加速度時程曲線圖和加速度放大系數(shù)可以得到，罕遇地震波與多遇地震波作用下，結(jié)構(gòu)體的地震響應(yīng)相同，不同的是：

（1）罕遇地震下，整體式橋臺曲線梁橋的加速度放大系數(shù)較多遇地震時大，這是因為在橋梁剛度一定時，罕遇地震會對結(jié)構(gòu)造成更大的破壞.

（2）罕遇地震下，橋墩位置上端的橋面板處（GC9）加速度放大系數(shù)為1.05，比地震波的初始加速度大，這是在多遇地震下沒有出現(xiàn)的.由此說明，在罕遇地震下，支座處上端的橋面板也容易出現(xiàn)震害，特別是在傳統(tǒng)曲線連續(xù)梁橋中，由于支座處設(shè)置伸縮縫，同時伸縮縫作為橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱處，容易撕裂伸縮縫發(fā)生落梁震害，而整體式橋臺曲線梁中由于沒有伸縮縫，可以避免此類落梁震害.

2.2.2 Taft波作用下加速度響應(yīng)分析

將Taft波幅值分別調(diào)整為多遇地震幅值0.5，m/s2和罕遇地震幅值3.1，m/s2，作為外激勵輸入到考慮樁-土相互作用的整體式橋臺曲線梁橋的整個結(jié)構(gòu)體系中.

2.2.2.1 多遇地震作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

通過對整體式橋臺曲線梁橋進(jìn)行時程分析，分析結(jié)果如圖5所示.

圖5 Taft波多遇地震計算結(jié)果

在多遇地震Taft波作用下，通過加速度時程曲線圖和加速度放大系數(shù)可知，多遇地震下Taft波與EL-centro波對整體式橋臺曲線梁橋的地震反應(yīng)相同，不同的是：

（1）多遇地震Taft波作用下，整體式橋臺曲線梁橋的加速度大小與加速度放大系數(shù)都小于相應(yīng)的EL-centro波作用下同一觀測點處的加速度與加速度放大系數(shù).

（2）多遇地震Taft波作用下，觀測點中的加速度放大系數(shù)沒有大于地震波初始加速度的.

2.2.2.2 罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)

通過對整體式橋臺曲線梁橋進(jìn)行時程分析，分析結(jié)果如圖6所示.

圖6 Taft波罕遇地震計算結(jié)果

在罕遇地震Taft波作用下，通過加速度時程曲線圖和加速度放大系數(shù)可以得到：

（1）對比于罕遇地震EL-centro波，在罕遇地震Taft波作用下，整體式橋臺曲線梁橋的加速度大小與加速度放大系數(shù)都小于相應(yīng)的EL-centro波作用下同一觀測點處的加速度與加速度放大系數(shù).

（2）對比于罕遇地震Taft波，整體式橋臺曲線梁橋同一觀測點處的加速度和加速度放大系數(shù)較多遇地震時大，這是因為在橋梁剛度一定時，罕遇地震會對結(jié)構(gòu)造成更大的破壞.

3 結(jié) 論

通過以上數(shù)值分析可以得到以下結(jié)論：

（1） 整體式橋臺曲線梁橋各觀測點的加速度在所有時刻的運動趨勢保持一致，不同的是各質(zhì)點的振動幅度.

（2） 罕遇地震下，整體式橋臺曲線梁橋的加速度放大系數(shù)較多遇地震時大，這是因為在橋梁剛度一定時，罕遇地震會對結(jié)構(gòu)造成更大的破壞.

（3） 通過加速度的大小與加速度放大系數(shù)在觀測點GC7（蓋梁頂面）和GC8（箱梁底面）即橋墩支座上下連接點之間傳播，可以發(fā)現(xiàn)，支座剛度選取的合理性，保證了下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)之間良好的聯(lián)動性.在橋梁抗震中，支座剛度的選取至關(guān)重要.

［1］汪新惠.整體式橋臺的無伸縮縫橋梁動力特性和地震反應(yīng)研究 ［D］.福州：福州大學(xué)，2003.

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［3］MISTRY，VASANT C.Integral abutment and jointless bridges ［C］//Integral Abutment and Jointless Bridges（IAJB 2005），Washington：National Academies Press，2005：3-11.

［4］陳寶春，莊一舟.無伸縮縫橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［5］胡明剛.曲線梁橋的動力分析及抗震性能研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

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［7］何度心.橋梁振動研究［M］.北京：地震出版社，1989.

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Seismic Performance Research of Integral Abutment Curved Girder Bridge

WEI Youbo
（The 2th Engineering Co.，Ltd of the 18th China Railway Construction Bureau，Tangshan 063000，Hebei，China）

With a ramp bridge as the research object，this research establishes a three-dimensional finite element model of 1：1 based on the ANSYS software.It researches the dynamic response of each part of the curve of integral abutment bridge to seismic acceleration.The results show that under rare earthquake，the acceleration amplification factor of integral abutment curve is greater than frequent earthquake，and the appropriate support stiffness can ensure the linkage between the substructure and superstructure，providing a certain reference value to relevant research.

integral abutment；curved girder bridge；finite element method；soil-structure interaction；seismic acceleration

U443.21

A

2095-719X（2016）04-0265-04

2015-06-18；

2015-06-24

住建部科學(xué)技術(shù)項目（2015-K3-021）；天津市自然科學(xué)基金項目（13JCYBJC19600）；天津市交通運輸委員會科技項目（2014-23）

韋有波（1981—），男，江蘇贛榆人，中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司工程師.