城市彎橋抗震受力性能研究

■何成湊 ■福州市交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，福建 福州 350000

1 前言

大型城市立交橋樞紐工程在城市道路建設(shè)中日趨重要，其結(jié)構(gòu)型式也日益復(fù)雜，使得空間彎橋的設(shè)計(jì)與施工難度加大。大型城市立交橋存在的突出問題是某些不利工況下出現(xiàn)梁體與支座托空，不能正常傳力。尤其在自重、預(yù)加力作用下，預(yù)應(yīng)力混凝土彎橋的受力性能影響規(guī)律至今沒有完善的分析與計(jì)算方法。本研究結(jié)合福州市灣邊互通立交橋?yàn)榈湫凸こ蹋瑧?yīng)用MIDAS 地震反應(yīng)分析軟件分析大型城市立交橋梁的動(dòng)力特性與在地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)。由于城市彎橋多屬于抗震概念上的不規(guī)則橋梁類型，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范的簡(jiǎn)化計(jì)算方法均不能被采用，應(yīng)建立全橋空間動(dòng)力模型進(jìn)行有限元數(shù)值計(jì)算。本文進(jìn)行了在不同支座約束形式下的抗震分析，探討了彎橋的抗震性能。研究主要包括:建立橋梁結(jié)構(gòu)的三維空間動(dòng)力分析計(jì)算模型，不考慮樁基礎(chǔ)的影響，計(jì)算分析全橋結(jié)構(gòu)模型的動(dòng)力特性;采用反應(yīng)譜方法計(jì)算主線部分橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng);對(duì)互通立交匝道橋梁主要結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行抗震驗(yàn)算;結(jié)合理論和計(jì)算分析的結(jié)果，提出互通立交匝道橋結(jié)構(gòu)在不同支座布置形式參數(shù)下抗震分析研究成果。

2 空間彎橋梁模型與設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)及分析方法

灣邊互通立交工程以三環(huán)路和福灣路、灣邊大橋的交叉點(diǎn)為中心，設(shè)置左右轉(zhuǎn)匝道。本文主要針對(duì)互通立交匝道橋中的B 匝道進(jìn)行抗震分析。B 匝道為單車道匝道橋，其橋面寬8.5m?？鐝讲贾脼榈谝宦?lián)29.02 +29 +29m，第二、三聯(lián)3 ×29m。鑒于B 匝道橋各聯(lián)跨徑布置較為相似，因此在進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，選取第二聯(lián)作為分析對(duì)象。灣邊互通立交B 匝道橋梁結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)如下:(1)上部結(jié)構(gòu):B 匝道橋上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，且為單箱單室箱梁截面。第二聯(lián)位于曲線半徑R=80m 的圓曲線上。箱梁梁高均采用1.8m，箱梁頂寬8.5m，底寬3.91m，頂板厚25cm，底板厚25cm，腹板厚45cm。懸臂長(zhǎng)1.75m，懸臂根部高30cm。上部預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁采用C50 號(hào)混凝土。(2)下部結(jié)構(gòu):B 匝道橋第二聯(lián)橋墩采用花瓶式矩形截面獨(dú)柱墩身。墩高在5.6～8..8m 之間變化，其中兩中墩墩高分別為7.412m 和7.028m。材料為C30 號(hào)混凝土?；A(chǔ)形式為鉆孔灌注樁。材料為C25號(hào)混凝土。

在進(jìn)行灣邊互通立交B 匝道橋動(dòng)力特性和地震反應(yīng)分析時(shí)，采用離散系統(tǒng)的有限元方法。為此，應(yīng)用大型結(jié)構(gòu)分析商業(yè)軟件MIDAS(Civil 2006)建立部分橋梁三維空間動(dòng)力分析計(jì)算模型。在動(dòng)力計(jì)算模型中，主梁、橋墩及樁基均采用三維空間梁?jiǎn)卧M;支座采用彈性連接單元模擬。基礎(chǔ)邊界的處理為:橋墩墩底固結(jié)。根據(jù)邊界條件，B匝道橋第二聯(lián)計(jì)算模型所采用的約束處理情況，表中X、Y、Z 分別表示切向、徑向和豎向;在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及地震反應(yīng)時(shí)，采用“0”和“1”分別表示自由和固定的約束關(guān)系。圖-1 所示為B 匝道橋第二聯(lián)抗震分析所取結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型。

圖-1 橋梁動(dòng)力計(jì)算有限元模型

互通立交匝道橋橋址處的場(chǎng)地土類型為三類場(chǎng)地土，抗震設(shè)計(jì)基本烈度為7 度。灣邊互通立交B 匝道為連續(xù)梁橋，依據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 004-89)，采用一水準(zhǔn)一階段抗震設(shè)計(jì)方法，針對(duì)設(shè)計(jì)基本烈度地震進(jìn)行抗震驗(yàn)算;抗震驗(yàn)算取水平地震系數(shù)Kh=0.1，綜合影響系數(shù)CZ=0.2，重要性修正系數(shù)Ci=1.3。其圓曲線半徑R=80m小于20 倍橋?qū)?，屬于抗震概念上的不?guī)則橋梁類型。在采用有限元方法計(jì)算地震反應(yīng)時(shí)，采用了振型分解反應(yīng)譜法，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜采用規(guī)范提供的三類場(chǎng)地土的反應(yīng)譜。對(duì)所建的三維空間模型，分別考慮水平兩個(gè)方向X、Y 的地震作用(X 方向?yàn)槊柯?lián)的起點(diǎn)到終點(diǎn)的連線方向設(shè)為X 方向或縱橋向，Y 方向?yàn)榕c每聯(lián)的起點(diǎn)到終點(diǎn)的連線正交的方向設(shè)為Y 方向或橫橋向);組合采用CQC 法。為保證計(jì)算結(jié)果的精度，取前100 階振型進(jìn)行組合。

根據(jù)《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 004-89)、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG B162—2004)以及《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ024—85)，對(duì)灣邊互通立交B 匝道橋第二聯(lián)進(jìn)行動(dòng)力特性與設(shè)計(jì)基本烈度地震作用下的結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)度驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)度驗(yàn)算主要針對(duì)橋墩抗側(cè)力構(gòu)件進(jìn)行。由于國(guó)內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)橋墩的抗剪承載力驗(yàn)算沒有專門規(guī)定，橋墩的抗剪強(qiáng)度一般通過采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施即可滿足要求，現(xiàn)主要對(duì)灣邊互通立交B 匝道第二聯(lián)各橋墩的正截面強(qiáng)度分別進(jìn)行驗(yàn)算。

3 支座布置形式參數(shù)

對(duì)于曲線梁橋，支座布置形式有很多種。3 跨預(yù)應(yīng)力混凝土曲線箱梁橋的支座布置主要采用抗扭雙支座。常用的布置形式見表-1 所示，其中箭號(hào)表示支座約束放松的方向。

表-1 雙支座布置

4 雙支座布置形式

現(xiàn)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)采用雙支座支承上部結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行支座布置形式的分析時(shí)，選用表-1 中NQ1、NQ2、NQ5、NQ10 四種支承形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1 雙支座布置形式時(shí)地震動(dòng)力特性

在進(jìn)行支座布置形式的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析時(shí)，結(jié)構(gòu)其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變，僅改變約束條件。根據(jù)給出的約束條件建立灣邊互通立交B 匝道典型橋跨結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型，計(jì)算該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。表-2 列出了結(jié)構(gòu)前10 階固有頻率、周期及其相應(yīng)的振型特征。

表-2 前十階自振頻率、周期及相應(yīng)振型特征

4.2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析結(jié)果

根據(jù)灣邊互通立交B 匝道橋第二聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下的地震內(nèi)力反應(yīng)。所選用的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)同前，僅邊界條件有所不同。根據(jù)給出的結(jié)構(gòu)在恒載作用下橋墩控制截面的內(nèi)力，表-3～4 列出了灣邊互通立交B 匝道橋第二聯(lián)連續(xù)梁橋NQ1、NQ2、NQ5、NQ10 支承條件下分別在縱、橫向水平地震作用下驗(yàn)算構(gòu)件控制截面的最大地震內(nèi)力與恒載內(nèi)力組合的結(jié)果。

表-3 橋墩控制截面恒載+地震作用下的縱橋向內(nèi)力值

表-4 橋墩控制截面恒載+地震作用下的橫橋向內(nèi)力值

4.3 結(jié)構(gòu)抗震強(qiáng)度驗(yàn)算

表-5列出了B 匝道在設(shè)計(jì)基本烈度地震作用下，各橋墩控制截面正截面強(qiáng)度的驗(yàn)算結(jié)果(僅列出最不利組合內(nèi)力的驗(yàn)算結(jié)果)。

表-5 B匝道第二聯(lián)各墩正截面強(qiáng)度驗(yàn)算

5 參數(shù)分析結(jié)果

5.1 動(dòng)力特性

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于采用雙支座支承的曲線梁橋，動(dòng)力特性主要以主梁的縱向、側(cè)向彎曲為主。在結(jié)構(gòu)前10 階振型中，主梁的彎曲占70%。從支座的布置方式來看，若全部采用支座方式進(jìn)行上、下部結(jié)構(gòu)的連接，除NQ10 布置情況外，其余支座布置方式對(duì)曲線梁橋振動(dòng)頻率的大小及振型出現(xiàn)的順序都變化不大。結(jié)構(gòu)的第一階振型以制動(dòng)墩的縱向彎曲及主梁的縱飄為主。側(cè)彎振型在第二階出現(xiàn)，主梁豎彎振型則延遲至第四階振型出現(xiàn)。這說明結(jié)構(gòu)由于曲率的存在，大大降低了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

對(duì)于不采用固定支座的支座布置方式(NQ10)，結(jié)構(gòu)在第一階的振動(dòng)頻率與振動(dòng)形態(tài)與其它布置方式有所不同。此種支座布置方式使得結(jié)構(gòu)的第一階振動(dòng)以主梁、橋墩的側(cè)彎為主。由此說明，支座的布置方式對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的變化也有影響。若支座布置不合理加之地震動(dòng)的特征頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率較為接近，則很容易出現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)落梁的震害。

5.2 地震反應(yīng)分析

對(duì)于支座布置方式為雙支座的情況，其地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力從計(jì)算結(jié)果來看，最大值出現(xiàn)的位置隨固定支座位置的改變而改變。橋墩最大地震內(nèi)力出現(xiàn)在制動(dòng)墩處。在其它結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，雖然固定支座的位置不同，但結(jié)構(gòu)(橋墩)在地震作用下所產(chǎn)生的最大彎矩卻比較接近。但是，對(duì)于不采用固定支座的情況(NQ10)，橋墩的最大地震內(nèi)力與采用固定支座的情況相比略有減小，減小幅度為25%。這說明支座對(duì)上下部結(jié)構(gòu)的約束剛度對(duì)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件在地震作用下的反應(yīng)有直接的影響。僅從動(dòng)力分析的角度來說，不采用固定支座的連接方式其結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下的內(nèi)力反應(yīng)優(yōu)于采用固定支座。但不足的是，這種約束方式可導(dǎo)致上下部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的位移差，對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震是不利的。

曲線梁橋采用雙支座支承方式是較為常用的一種支承方式，其克服了點(diǎn)鉸支承的一些缺點(diǎn)，已被工程界所接受。但在雙支座布置的前提下，固定支座的布置方式?jīng)Q定了橋梁結(jié)構(gòu)制動(dòng)墩的位置，同時(shí)也改變了橋梁結(jié)構(gòu)特別是上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。由于在對(duì)灣邊互通立交B 匝道橋第二聯(lián)進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)，上部結(jié)構(gòu)采用單梁形式模擬，因此，在有限元分析中無法看到上部結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)對(duì)橋梁動(dòng)力性能的影響。但從研究結(jié)果可以看出，固定支座不宜放置在邊墩墩頂。若固定支座放置在邊墩墩頂，則大大增加了上部結(jié)構(gòu)承受扭矩的長(zhǎng)度，使得上部結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型提早出現(xiàn)。建議應(yīng)將固定支座放置在中墩處。同時(shí)，盡可能避免出現(xiàn)全部采用滑動(dòng)支座的情況。全部采用滑動(dòng)支座不僅增加了結(jié)構(gòu)的位移，同時(shí)，降低了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，使得結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)從主梁的縱飄改變?yōu)橹髁旱膫?cè)向振動(dòng)。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)的特征頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率非常接近時(shí)，很容易使結(jié)構(gòu)由于側(cè)向位移較大而出現(xiàn)落梁的震害。

從地震反應(yīng)分析來看，橋墩最大地震內(nèi)力出現(xiàn)在制動(dòng)墩處，固定支座的位置決定了制動(dòng)墩的位置。而且，從地震反應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)來看，橋梁結(jié)構(gòu)的絕大部分地震力是由制動(dòng)墩承擔(dān)的，因此，合理的布置固定支座對(duì)于分散結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力是有益的。此外，從雙支座結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)的對(duì)比情況來看，雖然相同約束程度的計(jì)算結(jié)果差別不大，但實(shí)際設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)考慮靜力情況下結(jié)構(gòu)的受力，綜合考慮各方面因素的影響來決定曲線連續(xù)梁橋支座的布置方式。針對(duì)B 匝道橋第二聯(lián)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力均未超過結(jié)構(gòu)(橋墩)本身的抵抗能力，在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)是安全的，且安全儲(chǔ)備較大。因此建議在滿足靜力要求的情況下，適當(dāng)減小橋墩截面尺寸，以達(dá)到即經(jīng)濟(jì)又安全的目的。

6 結(jié)論與建議

本文研究的大型城市互通立交小曲率半徑彎橋，屬于抗震概念上的不規(guī)則橋梁類型，通過建立全橋空間動(dòng)力模型，采用有限元方法計(jì)算和支座布置形式的參數(shù)分析，表明:

對(duì)于雙支座支承的曲線梁橋，動(dòng)力特性主要以主梁的縱向、側(cè)向彎曲為主，基本上支座布置方式對(duì)曲線梁橋振動(dòng)頻率的大小及振型出現(xiàn)的順序都變化不大;設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)全部采用滑動(dòng)支座的情況，以免增加了結(jié)構(gòu)的位移，使得結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)從主梁的縱飄改變?yōu)橹髁旱膫?cè)向振動(dòng)，甚至落梁破壞，同時(shí)固定支座不宜放置在邊墩墩頂針對(duì)B 匝道橋第二聯(lián)典型橋跨結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)地震動(dòng)作用下，結(jié)構(gòu)的地震內(nèi)力均未超過結(jié)構(gòu)(橋墩)本身的抵抗能力，安全儲(chǔ)備較大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議可適當(dāng)減小橋墩截面尺寸。

［1］《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004—89)［S］.北京:人民交通出版社，2003(1).

［2］《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TB02-01-2008)［S］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)［S］.北京:人民交通出版社，2004(10).

［4］《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62-2004)，北京:人民交通出版社，2004.

［5］《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ024—85)［S］.北京:人民交通出版社，2001.(3).

［6］橋梁延性抗震設(shè)計(jì)［M］.范立礎(chǔ)，卓衛(wèi)東.北京:人民交通出版社，2001(5).

［7］高架橋梁抗震設(shè)計(jì)［M］.范立礎(chǔ)，李建中，王君杰.北京:人民交通出版社，2001(4).