馬如飛

摘要 為研究連續(xù)剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、地震響應(yīng)規(guī)律，文章以橋梁下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移為研究對象，通過Ansys有限元分析探究橋墩類型、墩截面形式與結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)間關(guān)系，以樁土作用、墩底固結(jié)情況分別確定連續(xù)剛構(gòu)橋在地震作用下的敏感參數(shù)及其變化規(guī)律。結(jié)果表明：按墩底固結(jié)分析得到的墩柱內(nèi)力、位移，較按樁土共同作用分析更保守；雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋較單薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋整體剛度、結(jié)構(gòu)頻率、主梁彎矩、主梁位移及墩底應(yīng)力?。幌嗤孛娣e下，實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋較空心墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)頻率小、抗震性能優(yōu)。

關(guān)鍵詞 地震響應(yīng)；連續(xù)剛構(gòu)橋；下部結(jié)構(gòu)

中圖分類號 U448.23文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0087-03

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋行車平順、施工便捷，且適應(yīng)大跨度建設(shè)，近些年得以快速推廣應(yīng)用[1]。已有連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)研究主要探究單因素影響，欠缺系統(tǒng)性規(guī)律總結(jié)。該文通過對比單/雙薄壁墩、實(shí)心/空心截面下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及地震響應(yīng)，探究了地震作用下連續(xù)剛構(gòu)橋的敏感參數(shù)及變化規(guī)律。

1 工程概況

依托某曲線連續(xù)剛構(gòu)橋（110 m+200 m+110 m）展開分析，下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。地震波輸入無明確主方向，彈性設(shè)計(jì)時(shí)地震波按順橋向、橫橋向兩個(gè)方向分別驗(yàn)算，不考慮多點(diǎn)激勵(lì)、相位差影響。

通過Ansys建立并分析有限元模型，采用beam188單元定義主梁、橋墩，取各施工段質(zhì)量、慣矩平均值定義材料。限制邊墩的豎向位移、橫向位移、扭轉(zhuǎn)約束及橫向彎曲。

考慮樁土共同作用（SSI）時(shí)，模型定義遵循以下假設(shè)[2]：

（1）用等代線彈性土彈簧桿單元模擬土層恢復(fù)力性質(zhì)，以“m”法計(jì)算剛度。

（2）忽略樁周豎向摩阻力及其他外力影響。

（3）忽略群樁中各樁間相互影響。

樁基簡化為連續(xù)梁，樁群附近土體按等剛度原則簡化為Link8單元（等代土彈簧桿單元），桿單元一端固定，一端與樁基相連[3]。桿單元截面積換算如下：

式中，m——地基土比例系數(shù)；Z——土體深度；a——土層厚度；bp——土層對樁的有效作用寬度；l——桿單位長度，取為1 m；E——樁的彈性模量。

采用Elcentro記錄定義模型地震波輸入，調(diào)幅加速度峰值amax為0.2 g[4]。該波持續(xù)時(shí)間為20 s，時(shí)間間隔為0.02 s，記錄周期范圍為0.25～0.60 s，動(dòng)力放大系數(shù)為2.689。

2 橋墩類型影響分析

分別建立單、雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型。單薄壁墩截面尺寸為7 m×8 m，壁厚為1.1 m、1.4 m。樁底固結(jié)較實(shí)際地質(zhì)條件差異顯著，因此僅考慮SSI（樁土共同作用）及NOSSI（墩底固結(jié)）情況。

2.1 動(dòng)力特性

結(jié)構(gòu)頻率隨橋墩類型變化如圖1所示。

由圖1可知，墩底固結(jié)情況下橋墩類型對結(jié)構(gòu)橫向、縱向動(dòng)力特性影響顯著，單薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋橫向一階頻率較雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋提升約10%，單薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋縱向一階頻率較雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋提升約40%；樁土共同作用情況下橋墩類型對結(jié)構(gòu)橫向動(dòng)力特性的影響可忽略，但縱向動(dòng)力特性影響顯著，單薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋縱向一階頻率較雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋提升約4%，單薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋縱向一階頻率較雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋提升約35%。

2.2 順橋向地震響應(yīng)

施加順橋梁激勵(lì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移隨橋墩類型變化如圖2所示。

由圖2可知：

（1）考慮墩底固結(jié)，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，主梁豎向彎矩降幅約為45%～80%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，主梁豎向彎矩降幅約為35%～60%。

（2）考慮墩底固結(jié)，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，墩底縱向應(yīng)力、縱向剪力降幅約為70%、50%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，墩底縱向彎矩、縱向剪力降幅約為30%、62%。

（3）相較于單薄壁墩，采用雙薄壁墩能降低主梁豎向彎矩、豎向位移，減少結(jié)構(gòu)縱向一階頻率。

2.3 橫橋向地震響應(yīng)

施加橫橋梁激勵(lì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移隨橋墩類型變化如圖3所示。

由圖3可知：

（1）考慮墩底固結(jié)，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，主梁邊跨跨中及邊跨根部橫向彎矩增幅約為4%、2%，主梁中跨根部及中跨跨中橫向彎矩降幅約為8%、16%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，邊跨跨中、中跨主梁根部及中跨跨中橫向彎矩增幅約為7%、6%、3%，邊跨主梁根部橫向彎矩降幅約為13%。

（2）考慮墩底固結(jié)，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，墩底橫向應(yīng)力、橫向剪力降幅約為23%、47%；考慮樁土共同作用，由單薄壁墩轉(zhuǎn)變?yōu)殡p薄壁墩，墩底橫向彎矩、橫向剪力降幅約為10%、50%。

（3）相較于單薄壁墩，采用雙薄壁墩能降低主梁橫向彎矩、橫向位移，減少結(jié)構(gòu)橫向一階頻率。

3 墩截面形式影響分析

分別建立實(shí)心、空心墩截面連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型。樁底固結(jié)較實(shí)際地質(zhì)條件差異顯著，因此僅考慮SSI（樁土共同作用）及NOSSI（墩底固結(jié)）情況。

3.1 動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)頻率隨橋墩類型變化如圖4所示。

由圖4可知，實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋體系更柔，結(jié)構(gòu)頻率更小。墩底固結(jié)情況下實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋較空心墩橫向一階頻率下降約10%，縱向一階頻率下降約37%，豎向一階頻率下降約7%；樁土共同作用情況下實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋較空心墩橫向一階頻率下降約41%，縱向一階頻率下降約13%，豎向一階頻率下降約5%。

3.2 順橋向地震響應(yīng)

施加順橋梁激勵(lì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移隨墩截面形式變化如圖5所示。

由圖5可知：考慮墩底固結(jié)，由空心墩轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)心墩，墩底縱向應(yīng)力、墩底軸力降幅約為6%、30%；考慮樁土共同作用，由空心墩轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)心墩，墩底縱向應(yīng)力增幅約為9%，縱向剪力、墩底軸力降幅約為50%、20%。相較于空心墩，采用實(shí)心墩能減少結(jié)構(gòu)縱向一階頻率，提高墩底軸力。

3.3 橫橋向地震響應(yīng)

施加橫橋梁激勵(lì)，結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨墩截面形式變化如圖6所示。

由圖6可知：考慮墩底固結(jié)，由空心墩轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)心墩，墩底橫向應(yīng)力、墩底軸力降幅約為3%、43%，橫向剪力增幅約為4%；考慮樁土共同作用，由空心墩轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)心墩，墩底橫向應(yīng)力、墩底軸力增幅約為16%，橫縱向剪力降幅約為8%。相較于空心墩，采用實(shí)心墩會(huì)提高墩底軸力，實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能優(yōu)于空心墩連續(xù)剛構(gòu)橋。

4 結(jié)語

該文依托具體工程實(shí)例，通過數(shù)值分析主要探究了墩柱類型、截面形式對連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性、地震響應(yīng)的作用規(guī)律。研究結(jié)果表明：

（1）墩底固結(jié)假定下計(jì)算得到：墩柱內(nèi)力、位移較樁土共同作用假定更保守。

（2）地基土層性質(zhì)對地震響應(yīng)分析作用顯著。

（3）相較于單薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋，雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋整體剛度、結(jié)構(gòu)頻率、主梁彎矩、主梁位移及墩底應(yīng)力更小。

（4）相較于空心墩連續(xù)剛構(gòu)橋，同截面面積的實(shí)心墩連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)頻率更小、抗震性能更優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

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