袁飛云,馬松華

(四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司,四川成都 610041)

連續(xù)剛構(gòu)橋是一種常見(jiàn)的山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)形式[1]，在地震荷載作用下，由于橋墩墩高差度較大導(dǎo)致其地震力傳遞不均勻；地震力的集中將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體抗震能力下降[2]。在跨越庫(kù)區(qū)時(shí)，或由于地質(zhì)變動(dòng)，橋墩可能沒(méi)入水中成為深水橋梁。動(dòng)水壓力不利作用和非規(guī)則高墩使得深水橋梁易遭到地震破壞，而深水使得橋梁的維修加固難以進(jìn)行[3、4]，岷江紫坪鋪水庫(kù)的深水連續(xù)剛構(gòu)橋-廟子坪岷江特大橋就是典型的例子。

本文針對(duì)某深水高墩連續(xù)剛構(gòu)橋，考慮動(dòng)水壓力的影響，研究了其地震響應(yīng)情況并對(duì)減震措施進(jìn)行了探討，以期為該類(lèi)橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。

1 考慮動(dòng)水壓力的地震響應(yīng)分析

1.1 橋梁概況

該橋處于地震高烈度區(qū)，橋區(qū)地震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，橋式方案采用抗震性能較好、方便懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋。孔跨布置為25 m+62 m+ 112 m+62 m+25 m，總長(zhǎng)286 m(圖1)。梁體為單箱雙室，寬度19.9 m，梁高度變化為5～9 m，頂板、底板及腹板厚度變化為0.5～0.8 m。小里程至大里程共布置4個(gè)橋墩(以下按里程大小分1～4#墩)，1#、4#為輔助墩，均為實(shí)心橢圓橋墩，1#高度為20 m，4#高度為12 m；2#、3#主墩均為矩形空心橋墩，2#墩高70 m，3#墩高55 m，墩頂橫橋向長(zhǎng)度13.5 m，壁厚0.8 m，順橋向長(zhǎng)度8 m，壁厚1 m，橫橋向外部、內(nèi)部長(zhǎng)度分別以橫向變坡1∶20、1∶40至墩底。

圖1 橋梁總布置

橋位即將修建水電站，修建完成后，正常蓄水時(shí)，2#墩將有55 m處于水中，3#墩將有40 m處于水中，動(dòng)水壓力將給結(jié)構(gòu)帶來(lái)一系列不利影響。同時(shí)，為了滿(mǎn)足峽谷地形，橋墩高度差別較大，非規(guī)則高墩將導(dǎo)致地震力分配不均勻。且梁體左右端均接入隧道，峽谷兩岸坡度較大且交通不便，河流水位高度變化大且不通航，橋梁施工期間現(xiàn)場(chǎng)交通是一大難點(diǎn)，而后期橋梁在線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)期間發(fā)若生嚴(yán)重?fù)p壞，將難以修復(fù)。因此，此類(lèi)橋梁的抗震設(shè)計(jì)就變得相當(dāng)重要。

1.2 動(dòng)水壓力計(jì)算在有限元分析中的實(shí)現(xiàn)

我國(guó)GB 50111-2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定[5]，當(dāng)水深高度超過(guò)5 m，應(yīng)計(jì)入地震動(dòng)水壓力對(duì)橋墩的影響。規(guī)范給出了普通梁式橋梁的動(dòng)水壓力近似計(jì)算公式，但近似計(jì)算公式僅適用于跨度中等的橋梁，對(duì)大跨高墩深水墩-水相互作用仍缺少充分的研究。

墩水耦合過(guò)程十分復(fù)雜，為了方便有限元軟件計(jì)算，計(jì)算動(dòng)水壓力時(shí)一般使用的方法為Morison方程[6]。Morison方程的前提條件是墩柱直徑比較小，對(duì)流場(chǎng)不產(chǎn)生影響，計(jì)算效率高，且在一定范圍內(nèi)有足夠的精度。通過(guò)Morison方程將動(dòng)水壓力轉(zhuǎn)化為橋墩節(jié)點(diǎn)附加質(zhì)量可以大大減小工作量[7]。由于本文研究橋梁的橋墩長(zhǎng)寬比較大，傳統(tǒng)的Morison方程并不適用，可以采取擴(kuò)展Morison方程[8]。

對(duì)于空心矩形截面的橋墩，建立了考慮內(nèi)水域影響的擴(kuò)展Morison方程，其表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，D、D1分別為垂直矩形空心墩地震力方向?qū)?yīng)的外、內(nèi)截面邊長(zhǎng)，L、L1為矩形空心地震方向外、內(nèi)截面邊長(zhǎng)。

根據(jù)截面尺寸，將計(jì)算的節(jié)段附加平動(dòng)質(zhì)量的一半分別加于節(jié)段上下對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，兩種算法結(jié)果見(jiàn)圖2。其中，Mx為順橋向平動(dòng)質(zhì)量，My為橫橋向平動(dòng)質(zhì)量。

圖2可以看出，由于順橋向迎水面較大，計(jì)算的附加質(zhì)量也就較大；隨著水深加大，附加質(zhì)量也將變大。當(dāng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量變大后，關(guān)鍵截面的地震響應(yīng)將因此發(fā)生改變。

圖2 節(jié)點(diǎn)質(zhì)量計(jì)算結(jié)果

1.3 考慮墩-水耦合作用的地震響應(yīng)分析

為了探討動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析。本文選取人工擬合加速度地震波、El-Centro、Taft典型強(qiáng)震記錄加速度時(shí)程曲線(xiàn)作為激勵(lì)。三條曲線(xiàn)均為Ⅱ類(lèi)場(chǎng)加速度波，經(jīng)過(guò)調(diào)整，地震波加速度峰值為0.38g(罕遇地震)。三條地震加速度時(shí)程曲線(xiàn)下以及反應(yīng)譜分析得到的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 橋梁關(guān)鍵部位最大位移對(duì)比 mm

1.4 動(dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震影響

動(dòng)水壓力的存在與否將影響結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。下文以通用有限元軟件Midas計(jì)算有、無(wú)動(dòng)水壓力下，探討橋梁的動(dòng)力響應(yīng)發(fā)生變化的規(guī)律。定義My為順橋向彎矩，Mz為橫橋向彎矩，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表3。

表2 2#主墩墩時(shí)程分析結(jié)果

表3 3#主墩墩時(shí)程分析結(jié)果

從表2、表3可以得出以下結(jié)論：

(1)動(dòng)水壓力對(duì)橋墩結(jié)構(gòu)均起到不利作用，增大了關(guān)鍵截面處的地震響應(yīng)值，增長(zhǎng)比例最大能達(dá)到23.4 %，故在實(shí)際工程中需要引起注意。

(2)各條時(shí)程曲線(xiàn)計(jì)算結(jié)果存在差異，其中Taft地震波下，結(jié)構(gòu)響應(yīng)增長(zhǎng)比例均較大，而El-Centro計(jì)算結(jié)果較小，這與地震波的頻譜特性有關(guān)系。

(3)由于縱向地震橋墩的迎水面較大，縱向彎矩增大幅度普遍大于橫向彎矩。

動(dòng)水壓力導(dǎo)致地震響應(yīng)增大，對(duì)于本文研究橋梁來(lái)說(shuō)，由于橋墩橫向?qū)挾却螅v向地震響應(yīng)增大幅度更大，抗震設(shè)計(jì)中縱向地震效應(yīng)往往較大。

2 墩高對(duì)地震響應(yīng)的影響

規(guī)則的梁式橋梁結(jié)構(gòu)比較對(duì)稱(chēng)、橋墩高度差異不大，也因此地震力分配較均勻。而典型的山區(qū)橋梁，為了滿(mǎn)足地形需求，橋墩將設(shè)計(jì)為高度不一致的高墩。因此，主墩墩高差別較大、邊墩高度很矮，結(jié)構(gòu)剛度差異較大；當(dāng)梁墩的相對(duì)剛度及橋墩間的相關(guān)剛度較大時(shí)，地震效應(yīng)將使得力更加集中于矮墩，導(dǎo)致矮墩比高墩先遭到破壞，高墩的承載力得不到利用[9]。

圖3給出了主墩墩頂位移時(shí)程圖，可以看出，橫向地震作用下，主墩橫向位移差別較小，地震力分配也較均勻；而縱向地震作用下下，3#矮墩位移明顯大于2#高墩，地震力集中于矮墩。由于地震力在縱橋向分配較均勻，主墩縱向地震作用下不出現(xiàn)塑性鉸[10]。圖4給出了主墩在橫向地震作用下塑性鉸分布位置圖，可以看出，3#矮墩墩頂、墩底塑性鉸長(zhǎng)度均大于2#高墩，這是由于地震力集中導(dǎo)致的。而矮墩的承載力相對(duì)較小，這就使得橋梁抗震設(shè)計(jì)為橫向控制。

圖3 主墩墩頂位移對(duì)比

圖4 橫向地震作用下主墩塑性鉸分布

3 減震措施

通過(guò)設(shè)置減隔震設(shè)施，如阻尼器、隔震支座等，來(lái)減小地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用[11]。

本文采用MIDAS建立全橋模型，采用時(shí)程分析方法進(jìn)行驗(yàn)證，調(diào)整粘滯阻尼器的鎖定力在內(nèi)的隔振參數(shù)，達(dá)到最佳抗震效果。粘滯阻尼器通過(guò)邊界非線(xiàn)性來(lái)模擬，采用MAXWELL模型，將阻尼單元與彈簧單元串聯(lián)進(jìn)行計(jì)算，阻尼力F=CVα。其中，α為阻尼指數(shù)、C為阻尼系數(shù)、V為阻尼器端部運(yùn)動(dòng)速度[12]。模型中，在各個(gè)梁端模擬3個(gè)阻尼器，其阻尼指數(shù)分別為0.2、0.5、1.0，阻尼系數(shù)取值1 000～20 000 kN·(m/s)a。

各組阻尼參數(shù)下的兩題最大縱向位移分析結(jié)果析見(jiàn)圖5。圖5表明阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)順橋向的減震效果較明顯，且減震效果與阻尼指數(shù)、阻尼系數(shù)有關(guān)。阻尼指數(shù)越小，消能效果越好，阻尼系數(shù)存在最優(yōu)值，不同結(jié)構(gòu)不同位置其值不一致。

圖5 阻尼器參數(shù)分析結(jié)果(縱向位移)

由于且阻尼器價(jià)格與阻尼系數(shù)成正比，本橋阻尼器參數(shù)選定為：阻尼指數(shù)0.2，阻尼系數(shù)3 000 kN·(m/s)a，在梁端布置3個(gè)粘滯阻尼器并連接于橋臺(tái)，連接方向?yàn)榭v向連接，即減震方向?yàn)榭v向。減震前后3#墩頂位移對(duì)比見(jiàn)圖6，關(guān)鍵位置彎矩響應(yīng)見(jiàn)表4。

圖6 減震前后3#墩頂縱向位移時(shí)程(El波)

表4 減震前后橋底橫橋向彎矩響應(yīng)對(duì)比 kN·m

圖6表明，阻尼器通過(guò)耗能，有效減小了墩頂?shù)奈灰?。?可以看出，設(shè)置阻尼器后，結(jié)構(gòu)的順橋向彎矩明顯降低，最多能降低36.6 %。順橋向地震作用下，整個(gè)結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)塑形鉸，橋墩基本維持在彈性階段，結(jié)構(gòu)的安全性大大增加。

4 結(jié)論

本文以某深水高墩三線(xiàn)鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔樱治隽藙?dòng)水壓力對(duì)結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，討論了三線(xiàn)鐵路橋梁非規(guī)則高墩對(duì)地震力分配的影響，并在結(jié)構(gòu)抗震能力不足的情況下選定了阻尼器來(lái)減震。經(jīng)過(guò)以上工作，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

(1)動(dòng)水壓力對(duì)深水橋梁的不利影響不可忽略。對(duì)于三線(xiàn)鐵路橋梁，由于橋墩橫向?qū)挾容^大，即縱向地震迎水面較大，從而導(dǎo)致動(dòng)水壓力對(duì)縱向地震影響幅度更大。

(2)三線(xiàn)鐵路橋梁由于墩梁相對(duì)剛度較大，將導(dǎo)致地震力分配將發(fā)生改變：橫向地震力分配較均勻，這對(duì)結(jié)構(gòu)是有利的，而縱向地震力分配將集中于承載力相對(duì)較低的矮墩，橋梁抗震設(shè)計(jì)往往為縱向控制。

(3)跨深水水庫(kù)橋梁由于維修加固困難，建議采取減震措施來(lái)提高抗震能力。對(duì)于本橋，選擇粘滯阻尼器最為減震措施，通過(guò)參數(shù)分析后，選定阻尼器的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算表明：阻尼器對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的減震效果是十分明顯的。本橋通過(guò)在縱向設(shè)置阻尼器后，梁體縱向位移大大較小，主墩均不出現(xiàn)塑性鉸。