李 寧

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京 210017)

與相同跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋相比，預(yù)應(yīng)力混凝土V腿連續(xù)剛構(gòu)橋由于其特有的V腿支撐體系，使其在跨徑、橋梁結(jié)構(gòu)形式、工程造價、受力、結(jié)構(gòu)剛度等方面有很大優(yōu)勢[1-2]。本文為研究橋墩傾角變化對地震響應(yīng)的影響程度，選取某預(yù)應(yīng)力混凝土V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對象，重點(diǎn)分析墩身傾角變化對預(yù)應(yīng)力混凝土V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋在地震作用下其結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的影響，以期為此類V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計工作提供參考和基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。

1 工程概述

某預(yù)應(yīng)力混凝土V形墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主梁為單箱單室截面箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁頂板寬11.0 m、底板寬6.6 m，梁兩側(cè)的翼緣板懸臂長度為2.2 m；橋墩處梁高5.5 m，主跨跨中和邊跨端部梁高均為2.7 m，梁體高度按圓弧變化。

橋墩采用V腿支撐體系，斜腿與順橋向的夾角為55°，兩斜腿夾角70°，斜腿高10.5 m，截面為實心矩形，截面尺寸為6.6 m×1.5 m，斜腿寬度與主梁箱梁底寬相同，斜腿與主梁連接處按圓弧過渡，基礎(chǔ)采用群樁基礎(chǔ)。全橋總體布置立面圖見圖1。

圖1 全橋總體布置立面圖(單位：mm)

2 計算模型

采用midas Civil建立全橋的三維有限元計算模型，主梁、V腿和承臺均采用梁單元模擬，主梁與V形墩頂和V形墩底與墩座的連接通過軟件中自帶的剛性連接來考慮，不考慮邊支座剛度[3]。模型由143個節(jié)點(diǎn)、134個單元、38個截面組成，全橋的有限元計算模型見圖2。

圖2 V腿連續(xù)剛構(gòu)橋有限元計算模型

3 確定地震反應(yīng)譜及工況

3.1 地震反應(yīng)譜計算方法

目前，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋采用地震反應(yīng)譜進(jìn)行抗震設(shè)計時主要包括以下步驟。

1) 根據(jù)橋梁所處的地址的強(qiáng)震記錄統(tǒng)計來模擬出該橋抗震設(shè)計所需的地震反應(yīng)譜。

2) 在已知的地震作用下，對結(jié)構(gòu)振動方程的振型分解，得到體系的位移、速度及加速度中的某個最大反應(yīng)量與自振周期的關(guān)系曲線，用振型廣義坐標(biāo)表示，由第一步中反應(yīng)譜計算得到的數(shù)值為關(guān)系曲線廣義坐標(biāo)的最大值。

3) 通過反應(yīng)譜計算常用的組合方法，將各振型響應(yīng)最大值按一定方法組合來計算反應(yīng)最大值。

通過反應(yīng)譜的計算可知，橋梁結(jié)構(gòu)在每個振型下反應(yīng)最大值具有一定的隨機(jī)性，反應(yīng)譜計算需考慮不同振型下最大值的組合方式。midas Civil有限元軟件中自帶4種反應(yīng)譜組合計算方法，分別為完整二次項組合的CQC法、平方和開方SRSS法、絕對值求和的ABS計算方法、將各振型下作用效應(yīng)直接求和的線性計算方法。采用midas Civil軟件中進(jìn)行反應(yīng)譜組合計算時，中小跨度橋梁的串聯(lián)多自由度等體系周期相差較遠(yuǎn)，故采用SRSS方法組合；需要考慮平移-扭轉(zhuǎn)耦連振動等振型密集型的大跨度橋梁采用CQC方法組合。

3.2 確定橋梁所需地震反應(yīng)譜

該V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋址處地震基本烈度為VII度，設(shè)計地震分組為2組，場地類別為II類場地，水平向設(shè)計基本地震加速度峰值為0.15g，設(shè)計特征周期為0.4 s，阻尼比0.05，采用多遇地震作用下設(shè)計反應(yīng)譜作為地震動輸入，得到設(shè)計反應(yīng)譜函數(shù)曲線見圖3。計算時選取了結(jié)構(gòu)前100階振型，采用CQC法進(jìn)行振型疊加，地震動3個方向的振型參與質(zhì)量之和均在94%以上，滿足結(jié)構(gòu)要求的計算精度。

圖3 反應(yīng)譜函數(shù)曲線

4 地震響應(yīng)分析

為了更好地研究墩身傾角變化幅度對橋梁整體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，本文在不改變結(jié)構(gòu)其他條件的前提下，僅改變墩身傾角(斜腿中心線與豎向線交角)，分別建立3個模型：模型1(墩身傾角為25°)、模型2(墩身傾角為35°)、模型3(墩身傾角為45°)，對這3個模型進(jìn)行地震計算時，荷載工況為縱向地震+橫向地震+50%的豎向地震[4]，不考慮地震動輸入的角度問題，對比墩身傾角變化對橋梁結(jié)構(gòu)地震作用下的位移和內(nèi)力的影響。

4.1 墩身傾角變化對對橋梁結(jié)構(gòu)位移的影響

由于結(jié)構(gòu)的對稱性，故選取關(guān)鍵截面時僅選取左半跨。通過對模型分析，在地震作用下，該橋各關(guān)鍵截面的縱向、橫向、豎向位移變化規(guī)律見表1～表3。

表1 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的縱向位移 cm

由表1可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面和橋墩墩頂縱向位移變化不大，變化幅度不到1%。

表2 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的橫向位移 cm

由表2可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面橫向位移呈增大趨勢，但變化幅度較小，不到2%；V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩墩頂橫向位移呈減小趨勢，變化幅度在3%左右。

表3 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的豎向位移 cm

由表3可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面豎向位移基本呈減小趨勢，變化幅度在3.5%左右；V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩墩頂橫向位移呈增大趨勢，變化幅度在30%左右。

綜合位移分析來看，墩身傾角從25°變化至45°，對V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋縱向和橫向位移影響較小，對豎向位移影響較大，且隨墩身傾角變化V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面豎向位移基本上呈減小趨勢，橋墩墩頂橫向位移呈增大趨勢。因此，在此類V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中墩身傾角度取值較大時，可有效減小主梁的跨度，從而對該類V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面的豎向位移有利。

4.2 墩身傾角變化對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

通過對有限元模型分析可知，在地震作用下，該V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋各關(guān)鍵截面的內(nèi)力變化規(guī)律見表4～表6。

表4 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的軸力值 kN

由表4可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁邊跨和中跨跨中截面處的軸力呈減小趨勢，變化幅度為5.5%左右，墩頂主梁截面處的軸力呈增大趨勢，其中，變化幅度為20%； V墩墩頂軸力呈減小趨勢，變化幅度均在14%左右，V墩底部軸力呈減小趨勢，變化幅度均為在6%左右。

表5 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的剪力值 kN

由表5可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁和墩頂主梁截面處剪力呈減小趨勢，變化幅度在30%左右，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨和中跨跨中截面處的剪力變化幅度較小，不到2%；V墩墩頂和墩底處剪力呈增大趨勢，墩頂變化幅度為19%左右，V墩底部剪力幾乎不受影響。

表6 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的彎矩值 kN·m

由表6可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面處彎矩呈減小趨勢，變化幅度在10%～15%之間；V墩墩頂彎矩呈增大趨勢，變化幅度在30%左右，V墩底部彎矩呈減小趨勢，但變化幅度不大，在2%左右。

綜合內(nèi)力分析來看，墩身傾角從25°變化至45°時，對V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋0號塊處的主梁截面的軸力和剪力影響最大，墩身傾角度取值較大時，對V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的主梁邊跨和中跨跨中的軸力最有利，對0號塊處的主梁截面的剪力最有利；對V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋V墩墩頂彎矩影響較大，墩身傾角角度取值較小時，對V墩墩頂彎矩最有利。

5 墩身傾角變化對不同跨徑橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

選取80 m+120 m+80 m跨徑進(jìn)行有限元分析，墩身傾角從25°變化至45°時，V形墩傾角越大，上部結(jié)構(gòu)主梁的計算跨徑越小。不同V形墩傾角下主梁內(nèi)力變化值見表7。

表7 結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的彎矩值 kN·m

由表7可見，墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面處彎矩呈減小趨勢；V墩墩頂彎矩呈增大趨勢，V墩底部彎矩呈減小趨勢。各關(guān)鍵截面內(nèi)力變化幅度與主跨100 m跨徑的關(guān)鍵截面內(nèi)力變化幅度相差不大。

6 結(jié)論

1) 墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁各關(guān)鍵截面處的豎向位移基本呈減小趨勢，橋墩墩頂橫向位移呈增大趨勢，且墩身傾角變化對豎向位移影響較大。

2) 墩身傾角從25°變化至45°時，V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋墩頂主梁截面處的軸力呈增大趨勢，剪力呈減小趨勢，對0號塊處的主梁截面的軸力和剪力影響最大；隨墩身傾角變化，V墩墩頂彎矩呈增大趨勢，墩身傾角變化對V墩墩頂彎矩影響較大。

3) 墩身傾角從25°變化至45°時，對不同跨徑V腿預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋主梁內(nèi)力影響趨勢相同，對中跨跨中截面彎矩影響幅度隨著跨徑的增大而增大。

因此，在進(jìn)行此類V腿墩橋梁抗震設(shè)計時需要從位移和內(nèi)力等方面綜合考慮墩身傾角變化對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，選取合理的墩身傾角以提高此類橋梁的抗震性能。