高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的動力特性及抗震性能分析

鄒小兵

（中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

1 工程概況

某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑組合（65+108+65）m（圖1），上部分結(jié)構(gòu)運(yùn)用單式箱梁截面，支點(diǎn)處高度約6 m，跨中位置截面高度約2 m，其縱向梁高度必須根據(jù)再次拋物線變化而實(shí)施相應(yīng)改變，下部結(jié)構(gòu)運(yùn)用雙薄壁墩。上部結(jié)構(gòu)使用C50 混凝土，橋墩使用C40 混凝土，樁基及承臺使用C25 混凝土。通過Ansys 軟件構(gòu)建出相應(yīng)的仿真模型。

圖1 大跨連續(xù)剛構(gòu)橋總體布局

2 高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的地震災(zāi)害分析

在地震災(zāi)害的影響下，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受到破壞的部位為墩頂與主梁結(jié)合位置及墩底，下端結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到重度破壞作為引發(fā)橋梁發(fā)生倒塌并在地震影響下無法及時(shí)修復(fù)的關(guān)鍵因素。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，下端結(jié)構(gòu)的破壞方式為剪切破壞、彎剪破壞和彎曲破壞三類。彎曲破壞指的是結(jié)構(gòu)彎曲承載力比剪切破壞承載力低，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度通過抗彎功能對破壞發(fā)揮控制作用。此類破壞方式一般能夠避免地震中橋梁受到倒塌破壞。彎剪破壞是因彎曲損傷引發(fā)的剪切強(qiáng)度降低，最終通過剪切破壞方式達(dá)成極限狀態(tài)，是非常脆性的一種破壞。剪切破壞指的是結(jié)構(gòu)彎曲的承載力比剪切破壞承載力高，由剪切強(qiáng)度破壞方式對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度實(shí)施控制，破壞時(shí)將斜方向剪力裂縫為主，此為比較脆性的一種破壞，在地震發(fā)生時(shí)，此類破壞方式很常見，也是橋墩受到致命破壞的關(guān)鍵因素。

3 基礎(chǔ)理論分析

3.1 橋梁的沖擊系數(shù)

基于橋梁結(jié)構(gòu)層面而言，移動式荷載在該結(jié)構(gòu)通過時(shí)產(chǎn)生的動力效應(yīng)即為沖擊作用，實(shí)際上，沖擊系數(shù)是結(jié)構(gòu)最大動態(tài)效應(yīng)與靜態(tài)最大效應(yīng)的總和：

式中：Ydmax是當(dāng)荷載車輛通過橋梁時(shí)，橋梁最大的動態(tài)效應(yīng)；Yjmax是相同車輛荷載過橋時(shí)，橋梁最大靜力效應(yīng)。

3.2 國內(nèi)與國外規(guī)范計(jì)算沖擊系數(shù)的方法

（1）美國所有構(gòu)件全部處于斷裂狀態(tài)及疲勞狀態(tài)體現(xiàn)為：IM=0.15；橋面接縫部位處于極限狀態(tài)體現(xiàn)為：IM=0.75；其他狀態(tài)體現(xiàn)為：IM=0.33。

（2）加拿大沖擊系數(shù)與車輛本身軸數(shù)有關(guān)。

（3）英國荷載車輛的沖擊效應(yīng)體現(xiàn)為25%；以公式表達(dá)是：I=，其中L 是跨徑。

（4）我國JTG D60—2015 設(shè)計(jì)路橋通用的規(guī)范：沖擊系數(shù)為相關(guān)結(jié)構(gòu)的基頻f 函數(shù)：

3.3 不平整的路面程度

導(dǎo)致橋面不平整的主要因素是橋梁實(shí)際平面和預(yù)期平面發(fā)生了偏離變化。目前針對橋面出現(xiàn)的隨機(jī)性較大情況，在對車橋耦合振動的分析過程中，先要明確橋面情況不同的理論數(shù)值模型，而后對其實(shí)施定量分析。本文選用三角級數(shù)數(shù)疊加法對橋面的平整度實(shí)施模擬，即通過離散譜靠近目標(biāo)的隨機(jī)性流程模型。根據(jù)相關(guān)理念，在分析不平整橋面樣本的同時(shí)需根據(jù)式3 表述。

式中：R（x）作為橋面的不平整樣本（m）；k 需要服從［0，2π］在隨機(jī)相位均勻分布；N 作為采樣的頻段數(shù)；S（Ωk）作為離散空間頻率（cycle/m）；ΔΩ 作為空間皮頻率的間隔寬帶（cy-cle/m）。

相關(guān)調(diào)查研究表明：我國公路的橋面譜通常處在三級范圍以內(nèi)，即A、B、C。對A、B、C 橋面不平順的隨機(jī)狀況實(shí)施模擬，見圖2。

圖2 A、B、C 級橋面的平整度曲線

4 結(jié)構(gòu)的振動頻率

為了分析結(jié)構(gòu)頻率的變化規(guī)律，重點(diǎn)分析2 個(gè)敏感參數(shù)，即曲率半徑與墩高，并制定15 座相同跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋模型，為了保證結(jié)果的精準(zhǔn)性，選用綜合邊界條件與建模方式，結(jié)果表明，曲率半徑在出現(xiàn)變化的同時(shí)，高墩剛構(gòu)橋I 階的縱向基頻呈現(xiàn)起伏狀分布，但整體方面不會出現(xiàn)很大的變化；墩高變化會嚴(yán)重影響I 階結(jié)構(gòu)縱向基頻，變化幅度最大值為＞60%，由此得出，墩高發(fā)生變化，會嚴(yán)重影響I 階結(jié)構(gòu)的縱向基頻。

5 結(jié)構(gòu)的振動特性

5.1 橋面不平整易影響結(jié)構(gòu)振動特性

車輛在橋梁上通過時(shí)，車、橋會引發(fā)互相振動，從而使荷載效應(yīng)增大。本文將不平整的橋面計(jì)入時(shí)，對兩輛32 t（軸載設(shè)置為8 t+24 t，軸距設(shè)置為5.0 m）標(biāo)準(zhǔn)汽車模擬通過結(jié)構(gòu)的同時(shí)，對3 個(gè)結(jié)構(gòu)不利截面部位的振動參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，結(jié)果如下：

（1）將不同不平整橋面進(jìn)行計(jì)入后，結(jié)構(gòu)振動幅度會明顯提升，特別是邊跨跨中與中跨跨距與扭矩改變更加明顯，最大的幅值增量為80%～195%，表明高墩剛構(gòu)橋跨中部受橋面不平整度的影響，彎扭耦合效應(yīng)更加顯著。

（2）墩頂有較小的彎矩和扭矩增幅（約20%），具體因素為改變橋墩部位造成的影響。

5.2 國內(nèi)與國外相關(guān)規(guī)范比較

目前，國內(nèi)外對大跨剛構(gòu)橋沖擊系數(shù)的計(jì)算方法不具備相同的規(guī)范，也缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通過國內(nèi)外典型規(guī)范和對平整橋面橋面沖擊系數(shù)改變的研究得出：

（1）在對沖擊系數(shù)的計(jì)算中，各個(gè)國家的計(jì)算值大于我國規(guī)范的計(jì)算值范圍，其中美國規(guī)范計(jì)算值最大（0.33），各國沖擊系數(shù)值計(jì)算結(jié)果存在很大的偏差，因此在對此類橋梁安全性的評估中，其沖擊系數(shù)取值需要深入分析并合理拓展，使其實(shí)測值和理論值維持高度一致。

（2）C 級橋面不具備穩(wěn)定的橋面狀況，理論計(jì)算值也遠(yuǎn)比模型計(jì)算值小，因此在對沖擊系數(shù)實(shí)施計(jì)算與分析后，判斷很有可能是橋面不平整造成的影響。

（3）在結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)的計(jì)算中，通過計(jì)算模型和規(guī)范值進(jìn)行對比，尤其是C 級橋面不平的情況下，理論值與實(shí)測值差異較大。因此對此類橋面投用安全性的評估工作中，提出重點(diǎn)考慮橋面受不平整影響的建議，為沖擊系數(shù)更加準(zhǔn)確地計(jì)算提供參考。

6 地震反應(yīng)分析

6.1 明確地震輸入

按照大橋主橋價(jià)值級地震對橋梁結(jié)構(gòu)破壞后的搶修難度，主橋超越使用的概率為63%/50 年，以50 年為重現(xiàn)期（簡稱地震E1 概率）和超越概率2%/50 年、重現(xiàn)期為地震E2 概率兩種地震水平的作用作為設(shè)防水準(zhǔn)。

6.2 截面地震的具體反應(yīng)

在縱向+豎向地震作用下，橋臺地震的最大值反應(yīng)是臺身底部，而橋墩較為繁雜，其地震反應(yīng)的最大的部位分布于橋墩的頂端、底端即橋梁交叉點(diǎn)上層與下層截面。所以需鞏固橋臺底部、橋墩底部、頂部、梁交叉點(diǎn)上部和設(shè)計(jì)下部的截面，以此保證剛構(gòu)橋在縱向+豎向地震作用下，墩臺符合抗震功能方面的標(biāo)準(zhǔn)。

基于縱向+豎向輸入的背景，剛構(gòu)橋墩底部與頂部的最大彎矩值通常為一致；雖然橋墩高度遠(yuǎn)高于橋臺，但其最大彎矩值遠(yuǎn)小于橋臺的最大彎矩值，由此可見，由于高墩結(jié)構(gòu)剛性不足，在地震作用下的反應(yīng)會越來越小。

6.3 高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震能力

通過以上分析可知，橋墩的最大彎矩值遠(yuǎn)小于橋臺的最大彎矩值，因而在高敦大跨度剛構(gòu)橋體系中，由于高墩本身剛度不足，外加地震產(chǎn)生的振動對其響應(yīng)不大，不會形成橋梁結(jié)構(gòu)最薄弱的抗震點(diǎn)。通過驗(yàn)算抗震表明，無論縱向+豎向或是橫向+縱向地震作用下，橋墩本身都未屈服，滿足抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)要求，而橋臺底部在縱向+豎向地震作用下發(fā)生了屈服現(xiàn)象，符合其塑性轉(zhuǎn)動性能方面的要求。

7 結(jié)束語

以某大跨連續(xù)剛構(gòu)橋工程為例，選用相應(yīng)的方法對高墩大垮連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性實(shí)施研究，分析地震反應(yīng)，包含明確地震輸入、主要截面的地震反應(yīng)和抗震性能，總結(jié)如下：

（1）高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋具有很弱的橫向剛度，在地震作用下出現(xiàn)的最大反應(yīng)于地震橫向+縱向激勵(lì)時(shí)，通常最大的反應(yīng)出現(xiàn)在最高敦，而在橫向激勵(lì)時(shí)，最大的反應(yīng)應(yīng)該視情況確定。因此類橋梁于第一和第二橫向主跨剛度最弱，而中高墩處在兩跨中間，所以橫向激勵(lì)時(shí)，此類橋梁的最大反應(yīng)發(fā)生在高墩墩頂部位。

（2）橋梁曲線結(jié)構(gòu)容易引發(fā)主梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)性振動。此類橋梁的縱向陣型發(fā)生于第四個(gè)階段，同時(shí)隨著主梁扭轉(zhuǎn)振型。扭轉(zhuǎn)振型在橫向激勵(lì)的同時(shí)對于地震響應(yīng)的結(jié)果影響很大。

（3）高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋具有很大的縱向抗推剛性，最大的內(nèi)力相應(yīng)值通常出現(xiàn)在墩地最矮之處，應(yīng)該將最矮的墩底當(dāng)成截面控制來驗(yàn)算地震的強(qiáng)度。

（4）行波效應(yīng)影響應(yīng)視橋梁實(shí)際的結(jié)構(gòu)確定，針對此類橋梁，行波效應(yīng)需引發(fā)位移以及縮小內(nèi)力響應(yīng)峰值，無需考慮計(jì)算波效應(yīng)結(jié)果是否偏向安全。

（5）針對此類橋梁，在成橋的情況下，不會明顯影響到抗震性能結(jié)果。針對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，施工中影響最大的是動力特性，最大的懸臂狀態(tài)作為最不利的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。