田玉文 寧曉駿周興林張清旭孟亞鋒 張春博

(1.昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500; 2.河南中豫路橋工程有限公司 鄭州 450000;3.浙江江南工程管理股份有限公司 杭州 310007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，山區(qū)橋梁數(shù)量不斷增多，連續(xù)剛構(gòu)橋具有T形剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的共同優(yōu)點(diǎn)，在我國西部山區(qū)建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。雙肢薄壁墩是我國大、中跨徑橋梁的主要形式，它的構(gòu)造特點(diǎn)是主梁與兩個(gè)相互平行的薄墩剛接。雙肢薄壁墩可減小主梁支反力峰值，增加橋墩剛度。雙肢薄壁墩既有一定柔性，又能保持橋墩穩(wěn)定，適應(yīng)上部位移的需要。相關(guān)研究指出連續(xù)剛構(gòu)橋墩梁固結(jié)處存在很大的剛性，在地震作用下是主要的受力點(diǎn)。近年來許多學(xué)者根據(jù)不同的工程背景采用不同的分析方法，對不同的研究對象進(jìn)行高墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震分析。錢勁松[1]研究不同墩高對內(nèi)力分布的影響，得出內(nèi)力極值主要出現(xiàn)在矮墩底部。肖章權(quán)[2]通過對非對稱高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能研究，得出隨著墩高不斷增加，結(jié)構(gòu)在各個(gè)方向剛度均有所減小。劉飛[3]對連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能分析，得出橋梁結(jié)構(gòu)的順橋向剛度要比橫橋向剛度大。孫超[4]通過一致激勵(lì)下的非平穩(wěn)地震動(dòng)線性反應(yīng)分析得出，順橋向與橫橋向地震動(dòng)同時(shí)輸入對連續(xù)剛構(gòu)橋跨中部位非常不利。

1 工程背景

本文以某高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橐劳?，該剛?gòu)橋主跨徑為(90+170+90)m，承臺樁基為C30混凝土，橋墩為C50混凝土，主梁為C55混凝土。主梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，橋面寬為12.5 m，跨中和端部高3.2 m，箱梁根部高10.5 m，其橋墩截面采用雙肢等截面矩形空心墩，承臺高為3 m，樁基為直徑2.8 m的鉆孔灌注樁，通過地勘報(bào)告得到橋址處地震峰值加速度為0.30g，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，區(qū)劃特征周期為0.45 s。其橋型布置圖見圖1所示。

2 有限元建模

2.1 參數(shù)選擇

在設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)，往往會(huì)受到工程地形地勢、水上通航等限制，使得橋墩高墩不一致，不同墩高差在地震作用下內(nèi)力分布不同，本文以改變2#橋墩為變量進(jìn)行研究。保持1#橋墩高墩不變，建立工況一2#橋墩增加0 m，工況二2#橋墩增加10 m，工況三2#橋墩增加20 m，工況四2#橋墩增加30 m。

圖1 橋型布置(單位：m)

2.2 構(gòu)建模型

本文采用Midas/civil有限元軟件建立全橋模型，主梁采用psc建模助手與懸臂澆筑聯(lián)合建模，主梁使用變截面梁單元，橋墩采用數(shù)據(jù)庫/用戶中的箱型截面，承臺與樁基、橋墩采用主從約束的剛性連接，橋墩與主梁之間采用彈性連接中的剛性連接，邊跨處的盆式橡膠支座采用彈性連接來模擬，樁基采用“m”法計(jì)算樁-土作用的影響并通過節(jié)點(diǎn)土彈簧來施加，主要計(jì)算荷載有結(jié)構(gòu)自重和混凝土濕重等。利用節(jié)點(diǎn)荷載和單元荷載來施加恒載，全橋有限元模型見圖2所示。

圖2 有限元模型

3 地震波輸入

本文通過Midas/Building，結(jié)合峰值加速度、特征周期、抗震設(shè)防烈度等選取符合本橋址的3條地震波。并依據(jù)規(guī)范要求將3條地震波中對橋梁影響最大的一條地震波選取出來，然后利用有效峰值加速度EPA與有效峰值速度EPV，通過計(jì)算對每個(gè)方向的地震波放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)幅后的San Fernando-291地震波見圖3所示。為了便于對比，在模擬抗震時(shí)，分別在E2罕遇地震作用下進(jìn)行順橋向和橫橋向地震作用輸入。

圖3 San Fernando-291地震波

4 結(jié)果分析

4.1 動(dòng)力特性分析

為了研究不同墩高差對動(dòng)力特性的影響，分別對本文4個(gè)工況采用多重Ritz向量法進(jìn)行動(dòng)力特性研究。自振特性前5階結(jié)果見表1～表4。

表1 工況一自振特性

表2 工況二自振特性

表3 工況三自振特性

表4 工況四自振特性

從表1～表4中可以得出，隨著2#橋墩不斷增加，結(jié)構(gòu)自振頻率不斷減小，當(dāng)2#橋墩增加10 m、20 m、30 m時(shí)，第5階頻率變化比較明顯，分別減小10.8%、21.6%、23.5%，說明剛度逐漸減小，橋梁整體結(jié)構(gòu)變?nèi)醄5-6]。

4.2 動(dòng)力彈性時(shí)程分析

其他參數(shù)不變，只改變2%橋墩墩高，通過墩底、墩頂縱橫向彎矩峰值，墩底、墩頂縱橫向剪力峰值和墩頂縱橫向位移峰值這6個(gè)時(shí)程分析結(jié)果做對比，多方位分析結(jié)構(gòu)彈性階段地震作用下的響應(yīng)情況。計(jì)算結(jié)果見表5～表10。

表5 順橋向地震作用下墩底、墩頂縱向彎矩峰值

表6 橫橋向地震作用下墩底、墩頂橫向彎矩峰

由表5～表6可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩的增加，1#橋墩彎矩在縱橫向不斷增加,2#橋墩彎矩在縱橫向逐漸減小，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底彎矩減小了30.7%，1#橋墩墩底順橋向彎矩增加了6.1%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底橫橋向彎矩減小了16.4%，1#橋墩墩底橫橋向彎矩增加了3.4%。1#橋墩、2#橋墩彎矩隨2#橋墩高度的增加呈現(xiàn)一定規(guī)律的增大和減小，2#橋墩比1#橋墩變化的幅度明顯，說明隨著墩高差的逐漸增大，1#墩的受力會(huì)變得更加復(fù)雜，在受到地震作用時(shí)，受到破壞的可能性要大于2#墩。

表7 順橋向地震作用下墩底、墩頂順向剪力峰值

表8 橫橋向地震作用下墩底、墩頂橫向剪力峰值

由表7～表8可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩的不斷增加，1#橋墩縱橫向剪力增大，2#橋墩縱橫向剪力減小，但對2#橋墩內(nèi)力影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力減小了32.9%，1#橋墩墩底剪力增加了16.4%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力減小了21.1%，1#橋墩墩底剪力增加了8.4%。對于2#橋墩的不斷增大，順橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果明顯強(qiáng)于橫橋向地震作用下的內(nèi)力[7]。

表9 順橋向地震作用下墩頂縱向位移峰值

表10 橫橋向地震作用下墩頂橫向位移峰值

由表9～表10可知，在縱橫向地震作用下，1#橋墩、2#橋墩墩頂縱橫向位移隨著2#橋墩的增加逐漸增大，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移增大了36.6%，1#橋墩墩頂位移增加了6.4%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移增加了21.2%，1#橋墩墩頂位移增加了8.2%。對于2#橋墩的逐漸增大，橋梁整體剛度降低，柔性變大，進(jìn)而使墩頂位移不斷變大，2#橋墩相比1#橋墩剛度更小，柔度更大，所以在地震作用下2#橋墩增加幅度較明顯。

5 結(jié)論

本文以某連續(xù)高墩剛構(gòu)橋?yàn)橐罁?jù)，以不同墩高差為參數(shù)運(yùn)用時(shí)程分析方法對不同工況下的模型進(jìn)行罕遇地震作用下的模擬研究，為以后連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震分析提供參考，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在彈性時(shí)程作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋的自振頻率與墩高有關(guān)聯(lián)，墩高越高，自振頻率越小，橋梁剛度也越小，柔度也越大。

(2)隨著橋墩的不斷增加，橫橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果明顯低于順橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果。

(3)隨著其中一個(gè)橋墩的不斷增加，高墩內(nèi)力值會(huì)逐漸減小，矮墩的內(nèi)力值會(huì)增加，但矮墩內(nèi)力增加幅度較小，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意矮墩的受力情況，防止出現(xiàn)破壞。