雙肢薄壁墩系梁對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋抗震影響分析*

印杰 寧曉駿 唐正光 楊東

(昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院 昆明 650500)

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)地形、地貌復(fù)雜多樣并且屬于地震多發(fā)地帶，故在許多跨線、跨河、跨山谷的地方陸續(xù)建設(shè)起一座座高墩連續(xù)鋼構(gòu)橋梁。連續(xù)剛構(gòu)橋具有良好的穩(wěn)定性，其跨越能力強(qiáng)、施工方便、成本低、行車(chē)舒適，并逐漸向高墩、大跨度的設(shè)計(jì)方向發(fā)展[1]。本文以連續(xù)剛構(gòu)橋的高墩為研究對(duì)象，利用Midas Civil有限元軟件，對(duì)橋墩進(jìn)行模態(tài)分析和非線性時(shí)程地震響應(yīng)分析[2]。

1 工程背景

本文以某高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)榉治鰧?duì)象，其橋址和等級(jí)根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 2231—01—2020)和地勘報(bào)告可知該橋梁屬于B類(lèi)橋梁，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅰ類(lèi)，地震基本烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.3g，地震反應(yīng)譜特征周期0.45 s。該橋梁的主橋跨徑布置為(102.72+190+102.72)m，上部結(jié)構(gòu)為單箱單室截面的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。連續(xù)剛構(gòu)箱梁梁高及底板厚度按照1.6次拋物線變化，箱梁根部梁高為12 m，跨中梁高為3.8 m，頂寬為12 m，底寬為6.5 m，腹板厚度分別為0.8 m、0.6 m和0.5 m，底板厚度由中部的0.32 m按1.6次拋物線變化至根部的1.4 m。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用鋼筋混凝土雙薄壁空心墩，1號(hào)橋墩高130 m，2號(hào)橋墩高130 m，承臺(tái)厚度為5 m，樁基使用12根直徑為2 m米的鉆孔灌注樁，其橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1 橋梁布置(單位：m)

2 有限元模型的建立

本文利用Midas Civil軟件建立有限元全橋模型，連續(xù)剛構(gòu)的主梁采用變截面梁?jiǎn)卧M，橋墩、承臺(tái)、樁基及縱向橫系梁采用梁?jiǎn)卧M。在邊界條件上，剛構(gòu)橋邊跨固定Dz方向，樁基則全部固定，承臺(tái)和個(gè)樁基中心采用主從約束的剛性連接，橋墩與承臺(tái)、橋墩與主梁之間采用彈性連接，邊跨處采用剛性彈性連接形式模擬盆式橡膠支座。樁基采用“m”法計(jì)算樁土作用的影響并通過(guò)節(jié)點(diǎn)彈性支承來(lái)模擬，二期恒載通過(guò)梁?jiǎn)卧奢d來(lái)施加[3]，建立的全橋有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 模型示意

大跨徑連續(xù)梁橋或者連續(xù)剛構(gòu)橋(主跨超過(guò)90 m)墩柱已進(jìn)入塑性工作范圍，且承臺(tái)的質(zhì)量較大，地震作用下承臺(tái)的慣性力對(duì)樁基礎(chǔ)的地震效應(yīng)不能忽略時(shí)，應(yīng)采用非線性時(shí)程分析方法進(jìn)行抗震分析[4]。根據(jù)規(guī)范在進(jìn)行非線性時(shí)程分析時(shí)選擇瑞利型阻尼，鋼筋混凝土的阻尼比為0.05。根據(jù)橋址和選波要素及規(guī)范要求，本文選擇了RH1TG045波對(duì)橋型進(jìn)行非線性時(shí)程分析[5]。在利用這條波模擬E2地震作用時(shí)，對(duì)每個(gè)方向的放大系數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，其組合方式為“1.0縱橋向+1.0橫橋向+0.85豎橋向”。

3 系梁對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響

3.1 系梁數(shù)目對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響

在進(jìn)行連續(xù)剛構(gòu)的高墩設(shè)計(jì)時(shí)，常常采用雙肢薄壁墩。雙肢薄壁墩可以使得橋墩墩頂?shù)呢?fù)彎矩減小，又可以使得橋墩墩頂?shù)膭偠仍黾?。但是其抗推力的能力又比較小，使得縱橋向墩頂位移增大，所以在高墩設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用縱橋向橫系梁的設(shè)計(jì)來(lái)滿足墩頂縱橋向的位移要求，使得橋墩結(jié)構(gòu)受力合理。故在橋墩其他條件不變的情況下，改變系梁的數(shù)目且采用系梁等間距布置(見(jiàn)表1)，分別考慮各工況在成橋狀態(tài)下的地震響應(yīng)(見(jiàn)表2)。

表1 系梁布置情況

表2 系梁對(duì)橋梁振型周期的影響

由表2可知:系梁間距對(duì)1階振型周期在前5種工況影響比較大，在隨后的工況中系梁間距對(duì)1階振型周期的影響變化在0.037%～0.045%之間，然而在2～5階振型周期隨著系梁間距的減小而降低，總體變化范圍在0.025%～0.068%之間，說(shuō)明雙肢薄壁墩有無(wú)系梁對(duì)橋梁的自振周期影響很大。由表2中的數(shù)據(jù)分析可知：無(wú)系梁和1道系梁的1階振型周期相差29.52%，說(shuō)明無(wú)系梁的橋墩剛度比有1道系梁的橋墩剛度小，故在設(shè)置了系梁后橋墩剛度明顯增大；依次比較相鄰的2個(gè)工況，得出它們的1階振型周期分別相差14.64%、7.61%、0.05%、0.04%、0.06%、0.04%、0.04%、0.04%、0.04%、0.04%、0.04%，說(shuō)明當(dāng)系梁間的間距在26 m以后，該橋型的自振周期變化就趨于穩(wěn)定，故系梁間的間距減少至26 m以后影響趨近于無(wú)。

分析橋梁為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，取1號(hào)橋墩來(lái)進(jìn)行分析研究，不同工況縱橋向1號(hào)橋墩的內(nèi)力情況見(jiàn)表3。由表3可知，隨著系梁間距的減小，墩頂和墩底的剪力整體來(lái)看是逐漸增大的，且墩頂?shù)膹澗匾仓饾u增大，這對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是不利的；隨著系梁間距的減小，墩底的彎矩是先增大后減小，在系梁間距達(dá)到21.7 m時(shí)，墩底彎矩最大。綜上說(shuō)明，橋梁在地震響應(yīng)下無(wú)系梁比有系梁橋梁結(jié)構(gòu)受力更有優(yōu)勢(shì)。

表3 不同工況縱橋向1號(hào)橋墩的內(nèi)力

圖3和圖4為墩頂縱、橫橋向位移隨橫系梁數(shù)目變化情況。由圖3和圖4可以看出，隨著雙肢薄壁墩系梁的間距逐漸減小，橋梁縱橋向的墩頂位移逐漸減小，橋梁橫橋向的墩頂位移幾乎不變，說(shuō)明縱橋向系梁的增加對(duì)橫橋向沒(méi)有影響，但是使得縱橋向剛度增加，繼而使得墩頂位移減小。

圖3 墩頂縱橋向位移

圖4 墩頂橫橋向位移

3.2 系梁間距對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響

橋墩的穩(wěn)定性對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)具有重要作用，本節(jié)利用有限元軟件來(lái)分析對(duì)于不同系梁間距下橋梁整體的屈曲模態(tài)，從其特征值來(lái)分析橋梁的穩(wěn)定性(見(jiàn)表4)。

表4 系梁對(duì)橋梁的屈曲模態(tài)影響

特征值即為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)的臨界荷載的屈曲系數(shù)。工程上，最小的特征值(即第1階)具有實(shí)際意義，屈曲系數(shù)在1階的特征值越大，則結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越好。結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，當(dāng)特征值大于5時(shí)，結(jié)構(gòu)符合穩(wěn)定性要求[6-7]。由表4可知，在無(wú)系梁的時(shí)候，結(jié)構(gòu)的正常穩(wěn)定性滿足要求，且由1階特征值數(shù)據(jù)可知在系梁間距為21.7 m的時(shí)候橋梁的穩(wěn)定性最好。

4 結(jié)論

本文采用非線性時(shí)程分析法，分析研究了連續(xù)剛構(gòu)橋的雙肢薄壁墩系梁對(duì)橋梁的地震響應(yīng)影響，得出以下結(jié)論。

1)連續(xù)剛構(gòu)橋的雙肢薄壁墩系梁的間距為26、32.5、43.3、65 m以及無(wú)系梁時(shí)，對(duì)橋梁的1階自振周期影響較大，而對(duì)2階到5階自振周期影響較小，故橋梁的整體剛度受到系梁間距的影響，且系梁間距越大，橋梁剛度越小。

2)隨著系梁的數(shù)目增加，橋墩的墩頂彎矩和剪力一直增大，墩底的剪力增大而彎矩在系梁間距為21.7 m時(shí)達(dá)到最大值，故隨著系梁數(shù)目越來(lái)越多，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)并不好；但是，隨著系梁的增加，墩頂?shù)目v向位移逐漸減小，而橋墩墩頂縱向剛度增加。

3)隨著系梁的逐漸增加，根據(jù)穩(wěn)定性要求，系梁設(shè)置間距為21.7 m的時(shí)候，橋梁的穩(wěn)定性最好。

4)雙肢薄壁墩縱橋向橫系梁對(duì)橫橋向抗震無(wú)影響。

綜上分析得出，在橋墩中設(shè)置系梁不利于橋梁抗震性能，但有利于提高雙肢薄壁墩的抗震性能，故在地震響應(yīng)下對(duì)于130 m高墩縱橋向系梁間距為21.7 m最為合適。