楊 秀 濤

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,河南 鄭州 450052)

曲線高墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能研究

楊 秀 濤

(河南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司,河南 鄭州 450052)

本文以一座3跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋為例，建立橋梁空間動力分析模型，針對地震作用下曲線主梁和薄壁高墩的反應(yīng)結(jié)果變化特點，討論了曲率半徑和系梁共同作用下的地震響應(yīng)規(guī)律，并得出相應(yīng)研究結(jié)果。為曲線連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計提供一定的依據(jù)。

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋；系梁；地震響應(yīng)；自振特性；抗震設(shè)計

隨著我國交通建設(shè)的迅速發(fā)展，西北地區(qū)高等級公路逐漸增多。由于該區(qū)域溝壑崎嶇的地形特點，為跨越深、寬溝而采用高墩彎橋也就不可避免。高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨越能力大、受力合理、結(jié)構(gòu)整體性好、造型美觀且施工相對簡單，在同等條件下其投資比斜拉橋、懸索橋明顯偏低，是一種極有競爭力的橋梁結(jié)構(gòu)形式。考慮地震動力作用下的曲率半徑和橋墩穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，申永剛[1]建立一座5跨薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的空間抗震有限元模型，運用時程分析法計算了一致激勵及行波效應(yīng)下高墩的地震響應(yīng)。主要是針對連續(xù)剛構(gòu)橋非線性地震響應(yīng)進(jìn)行定量研究。石雄偉[2]以某彎連續(xù)剛構(gòu)橋為例，采用通用有限元程序分析了5種不同的雙薄壁墩間距對橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的影響，選取橋位場地人工合成地震波，對其進(jìn)行了彈性地震響應(yīng)分析。鄭凱鋒[3]探討了在雙薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋中設(shè)置彈塑性連接梁的減震方案，分別計算了是否設(shè)置彈塑性連接梁的2個橋式，比較了在大震作用下墩柱的彎矩、剪力與位移變化情況。不同曲率半徑和高墩穩(wěn)定性共同作用將使得結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)發(fā)生明顯改變，但對于曲線連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計目前尚缺乏相應(yīng)的依據(jù)。因此，有必要對曲線高墩連續(xù)剛構(gòu)橋地震行為進(jìn)行分析，研究曲率半徑和橋墩穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

1 剛構(gòu)橋模型

本文以西北地震多發(fā)區(qū)某曲線高墩連續(xù)剛構(gòu)橋為工程背景，選取主梁曲率半徑、雙薄壁墩系梁布置對連續(xù)剛構(gòu)橋動力及地震響應(yīng)的影響進(jìn)行研究,橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 地震波選取

根據(jù)場地特征，設(shè)計場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期為0.40 s。選取El Centro波進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)非線性時程分析。

3 計算結(jié)果

根據(jù)高墩剛構(gòu)橋的動力分析模型，按照抗震設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，本文給出了直橋前10階振動頻率、周期和振型特征。直線橋自振特征計算結(jié)果如表1所示。

表1 直線橋自振特征計算結(jié)果

為了研究主梁曲率半徑和橋墩橫向剛度共同作用下的地震效應(yīng)影響，在直橋的基礎(chǔ)上，考慮不同曲率半徑和系梁數(shù)目共建立7個動力分析模型，分別為：無系梁、1道系梁、2道系梁、3道系梁(設(shè)置位置為橋墩等分點)及曲率半徑500 m、800 m和1 000 m。

3.1 曲率半徑對自振特性影響分析

考慮不同曲率半徑對連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性影響結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同曲率半徑的曲線橋自振周期計算結(jié)果

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果可知，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的振動型式與直橋保持一致。由圖2可以看出，隨著橋梁振型階數(shù)的增加，曲率半徑的影響效應(yīng)不斷減弱。具體來說，曲率半徑越大，一階橋墩橫向振動頻率增大；橋梁第1階振型出現(xiàn)了橋墩橫向彎曲振動，是由于該橋采用薄壁高墩，導(dǎo)致橋墩橫向抗推剛度較小的原因。同時，不同曲率半徑隨模態(tài)階數(shù)的增加各振型周期變化規(guī)律并不一致。對于前7階振型，曲率半徑小于800 m時對橋梁自振周期的影響較大，而當(dāng)曲率半徑超過800 m時，其對橋梁自振周期的影響較小。

圖3 1#墩底彎矩變化圖 圖4 1#墩底剪力變化圖

墩底彎矩、剪力變化分別如圖3、圖4所示。從圖3和圖4可知，在縱、橫橋向地震作用激勵下，結(jié)構(gòu)曲率半徑的逐漸減小后，各橋墩的彎矩、剪力都有不同程度的減小，說明在一定曲率半徑內(nèi)，曲率半徑越小，其抗震性能越好，但隨著半徑越小，橋梁彎曲程度越明顯，則彎扭耦合效應(yīng)會愈加顯著，扭矩有所增大。

圖5 不同系梁設(shè)置的曲線橋自振周期計算結(jié)果

圖6 2#墩底彎矩變化圖

3.2 系梁設(shè)置對自振特性影響分析

考慮不同系梁設(shè)置模式對連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性影響結(jié)果如圖5所示，結(jié)構(gòu)動力特性對比如表2所示。

表2 不同系梁道數(shù)下結(jié)構(gòu)的動力特性對比

從圖5可以得出，隨著系梁道數(shù)的增加，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩橫向剛度的變化引起全橋振型發(fā)生變化。隨著系梁數(shù)目的增加，第一階振型轉(zhuǎn)變?yōu)橐詷蚨諜M向振動為主。這是因為系梁數(shù)目的增加改變了原有結(jié)構(gòu)體系，橫向抗推剛度增加。

圖7 2#墩底剪力變化圖

結(jié)構(gòu)在縱向、橫向激勵作用下橋墩地震效應(yīng)隨系梁變化的結(jié)果如圖6、圖7所示。從圖6和圖7可知，縱向激勵作用下的橋墩的彎矩、剪力變化幅度不大。在橋墩橫向設(shè)系梁后，墩底的地震彎矩隨之減小。其中，以在兩薄壁橋墩中間位置設(shè)置1道系梁效果最優(yōu)，墩底彎矩降幅為17.1%。但隨著系梁數(shù)目增加，對墩底地震彎矩影響敏感性減小，均勻設(shè)置3道系梁時對應(yīng)的降幅為11.4%。

系梁將結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)榭蚣荏w系，橋墩中間設(shè)置一道即改變了框架結(jié)構(gòu)的高寬比，此時的橫向抗推剛度足以保證橋墩繞橫橋向轉(zhuǎn)動被約束，較原薄壁單柱體系增加了側(cè)向剛度，高寬之比為2較為適宜。過多的系梁設(shè)置對結(jié)構(gòu)抗震性能并無大多的幫助，反而增加工程成本。而墩柱所受剪力變化規(guī)律與墩底彎矩變化基本一致，以墩中央設(shè)置一道系梁為降幅最大，降幅為27%。由于系梁不直接承受橋墩屬相荷載，其截面高度較橋墩截面尺寸要小，但考慮除連接雙薄壁墩組成空間承重骨架外，還承受包括風(fēng)荷載和地震作用，對系梁與橋墩的結(jié)合處，建議增大控制截面尺寸。

4 結(jié) 語

(1)隨著曲率半徑的增加，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的振動型式與直橋基本保持一致，對于橋梁前7階振型而言，各方向的振型逐漸變小，當(dāng)振型超過7階后，各方向振型基本相同。

(2)在一定曲率半徑內(nèi)，曲率半徑越小，其抗震性能越好，但隨著半徑越小，橋梁彎曲程度越明顯，則彎扭耦合效應(yīng)會愈加顯著。

(3)隨著系梁道數(shù)的增加，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩橫向剛度的變化引起全橋振型發(fā)生變化，第一階振型轉(zhuǎn)變?yōu)橐詷蚨諜M向振動為主，隨著系梁數(shù)目的增加，橋墩的彎矩、剪力隨之變大，位移有所減小，以墩中央設(shè)置一道系梁為降幅最大，建議在進(jìn)行抗震設(shè)計時在墩1/2處設(shè)置一道系梁。

[1] 申永剛，陳建偉，項貽強.薄壁高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋墩抗震性能的分析[J].公路，2007，4(04) ：92-96.

[2] 石雄偉，劉海鵬，周勇軍,等.雙薄壁墩間距對連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響[J].交通運輸工程學(xué)報，2010，10( 3) ： 35-40.

[3] 鄭凱鋒,文曙東,栗懷廣.彈塑性連接梁在雙薄壁高墩連續(xù)剛構(gòu)橋中的應(yīng)用[J].西北地震學(xué)報，2007，29(4) ：303-306.

[4] 周勇軍，賀拴海，張崗,等.橋墩截面形式對彎連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響[J].公路交通科技，2009，26(2) ：68-72.

[5] 何欽象，田小紅，宋丹.高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能評估[J].振動與沖擊，2009,28(1) ：68-71.

[6] 周緒紅，戴鵬，狄謹(jǐn).曲線PC箱梁橋隔震體系的非線性分析[J].中國公路學(xué)報，2008，21(1) ：65-71.

Analysis on Seismic Response of Continuous Rigid Frame Bridge with Partial Curve Long Span

YANG Xiutao

(Henan Provincial Communications Planning and Design Institute Co.,Ltd, Zhengzhou 450052, China)

In this paper, a three span continuous rigid frame bridge is taken as an example to establish the model of spatial dynamic analysis of the bridge. According to the characteristics of the response of the curved main beam and the thin-walled high pier under earthquake action, the effects of the curvature radius and the tie response law are discussed, and the corresponding research results are put forward. The results provide a basis for the seismic design of continuous rigid frame bridge based on curve.

curve continuous rigid frame bridge; tie beam; seismic response; vibration characteristics; seismic designer

2017-04-10

楊秀濤(1980-)，男，貴州遵義人，本科，工程師，主要從事橋梁設(shè)計方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.010

U442

A

1674-5403(2017)02-0035-04