陳學(xué)文，李宸華 ，鄭 楊

(1.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.浙江宏澄環(huán)境有限公司，浙江 杭州 310013)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，山區(qū)橋梁數(shù)量不斷增多，連續(xù)剛構(gòu)橋具有T形剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋的共同優(yōu)點(diǎn)，在中國西部山區(qū)的橋梁建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。雙肢薄壁墩是我中大、中跨徑橋梁的主要形式，它的構(gòu)造特點(diǎn)是主梁與兩個相互平行的薄墩剛接。雙肢薄壁墩可減小主梁支反力峰值，增加橋墩剛度。雙肢薄壁墩既有一定柔性，又能保持橋墩穩(wěn)定，適應(yīng)上部位移的需要。隨著墩高的增加，為了滿足橋墩整體抗彎剛度的要求，同時(shí)為了改善橋墩抵抗順橋向的水平力作用，常常在橋墩中增加橫向聯(lián)系。因橋墩高度的不同，合理的設(shè)置橋墩系梁個數(shù)對橋墩抗震非常重要。周興林[1]通過雙肢薄壁墩參數(shù)對連續(xù)剛構(gòu)橋抗震影響分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)置縱向橫系梁會增大橋梁的剛度。劉飛[2]對連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能分析，認(rèn)為橋梁結(jié)構(gòu)的順橋向剛度要比橫橋向剛度大。龐興[3]通過對橫系梁設(shè)置對雙柱墩的抗震性能影響分析，得出設(shè)置橫系梁可以增加結(jié)構(gòu)縱橫向抗彎剛度的結(jié)論。本文以某高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橐劳?，分析橋墩系梁對連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響。

1 工程背景

該剛構(gòu)橋主跨徑為(90+170+90)m，承臺樁基為C30混凝土、橋墩為C50混凝土、主梁為C55混凝土。主梁為單箱單室結(jié)構(gòu)，橋面寬12.5 m，跨中和端部高3.2 m，箱梁根部高10.5 m，其橋墩截面采用雙肢等截面矩形空心墩，承臺高3 m，樁基為D2.8 m的鉆孔灌注樁，通過地勘報(bào)告得到橋址處地震峰值加速度為0.30 g，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，區(qū)劃特征周期為0.45 s。其橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置

2 有限元建模

2.1 參數(shù)選擇

在設(shè)計(jì)連續(xù)剛構(gòu)橋時(shí)，往往會受到地形地勢、水上通航等限制，使得橋墩系梁數(shù)量不一致，不同系梁個數(shù)在地震作用下內(nèi)力分布不同，本文以改變2#橋墩系梁個數(shù)進(jìn)行研究。保持1#橋墩不變，建立工況一2#橋墩無系梁，工況二在2#橋墩1/2處布置1根系梁，工況三在2#橋墩1/3和2/3處各布置1根系梁，工況四在2#橋墩1/4、2/4和3/4處各布置1根系梁。

2.2 模型構(gòu)建

本文采用Midas/Civil有限元軟件建立全橋模型，主梁采用psc建模助手與懸臂澆筑聯(lián)合建模，主梁使用變截面梁單元，橋墩采用數(shù)據(jù)庫/用戶中的箱型截面，承臺與樁基、橋墩采用主從約束的剛性連接，橋墩與主梁之間采用彈性連接中的剛性連接，邊跨處的盆式橡膠支座采用彈性連接來模擬，樁基采用“m”法計(jì)算樁-土作用的影響并通過節(jié)點(diǎn)土彈簧來施加，主要計(jì)算荷載有結(jié)構(gòu)自重和混凝土濕重等。利用節(jié)點(diǎn)荷載和單元荷載來施加恒載，全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 地震波輸入

本文通過Midas/Building，結(jié)合峰值加速度、特征周期及抗震設(shè)防烈度等選取符合本橋址的3條地震波。并依據(jù)規(guī)范要求將3條地震波中對橋梁影響最大的1條選取出來，然后利用有效峰值加速度EPA與有效峰值速度EPV，通過計(jì)算對每個方向的地震波放大系數(shù)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)幅后的San Fernando-291地震波如圖3所示。本文為了便于對比，在模擬抗震時(shí)，分別在E2罕遇地震作用下進(jìn)行順橋向和橫橋向地震作用輸入。

圖3 San Fernando-291地震波

4 結(jié)果分析

4.1 動力特性分析

為了研究2#橋墩不同系梁個數(shù)對動力特性的影響，分別對本文4個工況采用多重Ritz向量法進(jìn)行動力特性研究。自振特性前5階結(jié)果見表1～4。

表1 工況一自振特性

表2 工況二自振特性

表3 工況三自振特性

表4 工況四自振特性

從表1～4中可以看出，隨著2#橋墩系梁個數(shù)不斷增加，結(jié)構(gòu)自振頻率不斷增加，當(dāng)2#橋墩增加1個系梁、2個系梁、3個系梁時(shí)，第5階頻率變化比較明顯，分別增加10.8%、9.7%、1.6%。說明剛度逐漸增加，橋梁整體結(jié)構(gòu)柔度變小。

4.2 動力彈性時(shí)程分析

其他參數(shù)不變，只改變2#橋墩系梁個數(shù)，通過墩底墩頂縱橫向彎矩峰值、墩底墩頂縱橫向剪力峰值[4-5]和墩頂縱橫向位移峰值[6-7]這6個時(shí)程分析結(jié)果做對比，多方位分析結(jié)構(gòu)彈性階段地震作用下的響應(yīng)情況。計(jì)算結(jié)果見表5～10。

表5 順橋向地震作用下墩底墩頂縱向彎矩峰值

表6 橫橋向地震作用下墩底墩頂橫向彎矩峰

由表5～6可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩系梁個數(shù)的增加，1#橋墩彎矩在縱橫向不斷減小，2#橋墩彎矩在縱橫向逐漸增大，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底彎矩增加了23.3%，1#橋墩墩底彎矩減小了4.8%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底彎矩增加了14.9%，1#橋墩墩底彎矩減小了3.3%。1#橋墩、2#橋墩彎矩隨2#橋墩系梁個數(shù)的增加呈現(xiàn)一定規(guī)律的增大或減小，2#橋墩比1#橋墩變化的幅度更明顯，說明隨著2#墩系梁個數(shù)的不斷增加，2#墩的受力會變得更加復(fù)雜，在受到地震作用時(shí)，受到破壞的可能性要大于1#墩。

由表7、8可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩系梁個數(shù)的增加，1#橋墩縱橫向剪力減小，2#橋墩縱橫向剪力增大，但對2#橋墩內(nèi)力影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力增加了37.5%，1#橋墩墩底剪力減小了16.5%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力增加了29.8%，1#橋墩墩底剪力減小了8.4%。對于2#橋墩系梁個數(shù)的不斷增加，順橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果明顯強(qiáng)于橫橋向地震作用下的內(nèi)力。

表7 順橋向地震作用下墩底墩頂順向剪力峰值

表8 橫橋向地震作用下墩底墩頂橫向剪力峰值

由表9～10可知，在縱橫向地震作用下，1#橋墩、2#橋墩墩頂縱橫向位移隨著2#橋墩系梁個數(shù)的增加逐漸減小，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移減小了36.7%，1#橋墩墩頂位移減小了6.4%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移減小了15.2%，1#橋墩墩頂位移減小了8.2%。對于2#橋墩系梁個數(shù)的逐漸增加，橋梁整體剛度增大，柔性變小，進(jìn)而使墩頂位移不斷減小，1#橋墩相比2#橋墩剛度更小，柔度更大，所以在地震作用下2#橋墩減小幅度較明顯。

表9 順橋向地震作用下墩頂縱向位移峰值

表10 橫橋向地震作用下墩頂橫向位移峰值

5 結(jié) 語

本文以某連續(xù)高墩剛構(gòu)橋?yàn)橐罁?jù)，以2#橋墩不同系梁個數(shù)為參數(shù)運(yùn)用時(shí)程分析方法對不同工況下的模型進(jìn)行罕遇地震作用下的模擬研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)在彈性時(shí)程作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋的自振頻率與2#橋墩系梁個數(shù)有聯(lián)系，2#橋墩系梁個數(shù)越多，自振頻率越大，橋梁剛度也越大，柔度也越小。以第5階頻率為例，增加1個橋墩系梁自振頻率增加了10.8%，但隨著橋墩系梁的不斷增加，自振頻率增加幅度不斷減小。

(2)隨著2#橋墩系梁個數(shù)的不斷增加，橫橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果明顯低于順橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果。合理設(shè)置系梁個數(shù)可以適當(dāng)調(diào)整橋墩彎矩值，并且隨著系梁個數(shù)的增大，2#橋墩彎矩增加的程度與1#橋墩彎矩減小的程度有所減小。

(3)隨著2#橋墩系梁個數(shù)的不斷增加，1#橋墩內(nèi)力值會逐漸減小，2#橋墩的內(nèi)力值會增加，但2#橋墩內(nèi)力增加幅度較大。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮不同墩高下設(shè)置不同個數(shù)的系梁，避免因系梁個數(shù)的不同導(dǎo)致橋墩的剛度相差過大，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)力分布不均勻，使橋梁受力不合理。