何建棟

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017)

現(xiàn)代有軌電車線路靈活，對(duì)城市道路適應(yīng)性強(qiáng)，為跨越城市快速路或重要構(gòu)筑物常常會(huì)出現(xiàn)大跨度小半徑曲線橋。

大量橋梁震害表明，橋梁支承連接部位損害嚴(yán)重，抗震總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以重視，應(yīng)選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系。對(duì)于大跨度小半徑曲線橋可選的結(jié)構(gòu)體系有連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋及剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋[1-6]。剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋一般將中間墩采用墩梁固結(jié)形成剛構(gòu)，邊部設(shè)置支座形成連續(xù)梁，這種結(jié)構(gòu)形式兼有連續(xù)梁橋和剛構(gòu)橋兩者的優(yōu)點(diǎn)，在受力和使用性能上有一定的優(yōu)勢(shì)[7-10]。

大跨度小半徑曲線橋由于平面曲線半徑小、跨度大等因素使橋梁地震動(dòng)力響應(yīng)變得復(fù)雜[11-12]。為選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系，本文以一有軌電車線路特大橋?yàn)楸尘?，主要研究不同結(jié)構(gòu)體系的曲線梁橋的地震響應(yīng)，采用反應(yīng)譜法對(duì)不同結(jié)構(gòu)體系的曲線梁橋在地震作用下的內(nèi)力和位移進(jìn)行分析。

1 工程概況

一段現(xiàn)代有軌電車線路受地形、地面建筑及規(guī)劃條件所限，在高架段只能以半徑R=200 m的曲線形式通過。該段線路設(shè)計(jì)速度為70 km/h，現(xiàn)代有軌電車設(shè)計(jì)活載的最大軸重為12.5 t。

該橋?yàn)榭缋@城公路而設(shè)(見圖1)，主跨為60 m，主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變高箱梁，典型斷面見圖2，全聯(lián)結(jié)構(gòu)均位于圓曲線上。受規(guī)劃條件限制，兩邊跨分別為33.5 m和36.5 m。另外15#墩比16#墩高6 m，且15#墩有約4 m自由樁長，兩主墩剛度相差較大(16#墩剛度是15#墩的4.3倍)，導(dǎo)致本橋嚴(yán)重不對(duì)稱，故選擇合適的結(jié)構(gòu)體系對(duì)該橋抗震是至關(guān)重要的。

圖1 橋梁總體布置(單位：m)

圖2 橋梁典型斷面(單位：cm)

通過計(jì)算，由于16#墩較低，采用連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)，溫度影響太大，16#墩受力不能滿足規(guī)范要求，故針對(duì)連續(xù)梁橋和剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋2種方案進(jìn)行研究。

2 有限元模型

為準(zhǔn)確分析該橋的地震響應(yīng)，采用MIDAS/Civil建立全橋有限元模型，主梁、橋墩及基礎(chǔ)均采用梁單元模擬，固定支座采用線性約束處理，活動(dòng)支座采用恢復(fù)力模型模擬，樁基約束采用非線性彈簧模擬。

為選擇較為理想的結(jié)構(gòu)體系，針對(duì)連續(xù)梁橋和剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析。結(jié)合該橋特點(diǎn)，建立3個(gè)模型進(jìn)行深入分析:模型1,固定支座設(shè)置在16#墩處的連續(xù)梁橋模型；模型2,16#墩采用墩梁固結(jié)，15#墩設(shè)置活動(dòng)支座的剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋模型；模型3,15#墩采用墩梁固結(jié)，16#墩設(shè)置活動(dòng)支座的剛構(gòu)-連續(xù)組合梁橋模型。模型2與模型3主要區(qū)別在于2個(gè)橋墩的剛度。

3 橋梁動(dòng)力特性

從抗震設(shè)計(jì)角度分析，曲線橋由于“彎扭耦合”，將產(chǎn)生面內(nèi)振型和面外振型的耦合。在縱向地震作用下，該類橋梁主墩將產(chǎn)生較大的橫向剪力、扭矩和橫向彎矩。在橫向地震作用下，主墩將產(chǎn)生較大的縱向剪力、扭矩和縱向彎矩。

橋梁前10階自振頻率及振型計(jì)算結(jié)果見表1。可知：模型1和模型2前10階振型略有差異;從前3階看，模型2橫向累計(jì)參與質(zhì)量較多，縱向較少；模型3與前2個(gè)模型有較大的差異。模型3結(jié)構(gòu)更柔，第1階自振周期較大，前2階振型均發(fā)生在15#墩上，且產(chǎn)生內(nèi)彎。在地震作用下，15#墩會(huì)優(yōu)先承受縱橫向彎矩和扭矩，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震不利。

表1 橋梁前10階自振頻率及振型

4 地震響應(yīng)分析

橋址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，地震基本烈度為7度，特征周期Tg=0.35 s。本橋位于半徑為200 m圓曲線上，地震激勵(lì)角分別為0°，22.5°，45°，67.5°，90°，112.5°，135°，157.5°，180°,取E1水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜對(duì)地震響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算[13-14]。

4.1 內(nèi)力響應(yīng)

控制截面內(nèi)力一般位于橋墩底部，針對(duì)不同激勵(lì)角度，15#，16#墩底彎矩和扭矩分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果分別見圖3和圖4。

圖3可知:3個(gè)模型橫向彎矩基本相當(dāng)，縱向彎矩差異較大。模型1(連續(xù)梁)縱向彎矩最大，達(dá)到18 930 kN·m，為最不利情況;模型2(16#墩固結(jié))與模型3(15#墩固結(jié))縱向彎矩基本相當(dāng)。

圖3 墩底縱橫向彎矩變化曲線

圖4 墩底扭矩變化曲線

圖4可知:在激勵(lì)角為67.5°時(shí)扭矩值達(dá)到最大，3個(gè)模型變化規(guī)律基本一致。模型1(連續(xù)梁)最大，模型2(16#墩固結(jié))次之，模型3(15#墩固結(jié))最小。

從內(nèi)力響應(yīng)分析，彎矩變化規(guī)律基本與剪力變化規(guī)律一致，模型1(連續(xù)梁)屬于最不利情況，且需要設(shè)置一組抗震性能要求較高的固定支座。模型2(16#墩固結(jié))相比模型3(15#墩固結(jié))受力狀態(tài)較好。

4.2 位移響應(yīng)

位移控制一般位于整聯(lián)結(jié)構(gòu)的跨中，不同激勵(lì)角時(shí)計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖可知:縱橫向位移均以模型3(15#墩固結(jié))最大，模型1(連續(xù)梁)次之，模型2(16#墩固結(jié))最小。

圖5 中跨跨中縱橫向位移變化曲線

從位移響應(yīng)分析，模型3(15#墩固結(jié))由于15#墩橋墩較柔，位移響應(yīng)較大，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)不利;模型1(連續(xù)梁)雖固定支座設(shè)置在16#橋墩上，遠(yuǎn)離固定支座端位移達(dá)到23 mm，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)不利;模型2(16#墩固結(jié))最不利位置位移約13 mm，位移控制較好，為較為有利的模型。

5 結(jié)論

不同的結(jié)構(gòu)體系對(duì)于曲線連續(xù)結(jié)構(gòu)橋梁的自振特性有較大的影響。采用連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，墩梁通過支座連接，在地震動(dòng)作用下支座易損壞，整個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差[15]。在主墩剛度相差較多的情況下，連續(xù)剛構(gòu)體系適應(yīng)性較差，采用剛構(gòu)-連續(xù)組合的曲線梁橋可以獲得較好的內(nèi)力響應(yīng)及位移響應(yīng)，有利于橋梁的抗震。

由于大跨度、小曲線梁橋的復(fù)雜性，從該現(xiàn)代有軌電車大橋地震響應(yīng)得出，位移響應(yīng)最大時(shí)和內(nèi)力響應(yīng)最大時(shí)分別對(duì)應(yīng)不同的激勵(lì)角度，所以在考慮水平地震作用的時(shí)候，應(yīng)按不同的激勵(lì)角度進(jìn)行分析。對(duì)剛構(gòu)-連續(xù)組合曲線梁橋采用固結(jié)剛度較大的橋墩，可以提高整個(gè)橋梁的剛度，減少整體的位移，增加橋梁的穩(wěn)定性。

總體上來說，在橫橋向地震波激勵(lì)下大跨度、小曲線梁橋橫向位移、扭矩和橫向彎矩最大，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的縱向位移和縱向彎矩。在順橋向地震波激勵(lì)下該類橋梁縱向位移和縱向彎矩最大，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生較大的橫向位移和橫向彎矩。