大跨空腹式连续刚构桥动力分析

庄虔葳 王春香

【摘要】结合某一大跨刚构桥为研究对象，采用有限元分析程序Midas Civil选取空间梁单元建立动力计算模型，研究了在其他条件均相同的情况下，分别改变曲率半径和墩梁刚度比，桥梁结构动力特性的影响。同时研究了不同卓越周期的地震波激励对桥梁结构内力和位移的影响。计算结果表明，曲率的影响强于墩梁刚度比，地震波特性的影响也比较明显。

【关键词】大跨刚构桥；空腹式；动力特性；横向刚度；卓越频率

引言

在各种梁桥结构形式中，连续刚构的跨越能力最强。是不断增加的，特别是边跨根部位置处的应力增长趋势明显。魏涛[1]通过有限元软件，选择墩梁刚度比等设计参数，对主梁内力、变形的变化进行对比分析，得出当桥墩刚度降低时，主梁内力的变化非常小，也就是说，主梁内力对于逐渐减小的桥墩刚度来说敏感程度甚小，但其对于温度变化的敏感程度很大，有显著减小的趋势。金林杰[2]认为竖向弯曲频率与桥梁跨数之间存在反比例关系。总长随跨数的增加而增加，刚度随跨数的增加而减少，但是刚度没有总长对跨数的变化敏感。王蕾[3]研究认为，当弯桥在不考虑双向地震波同时输入作用时，桥梁结构的安全是很难保证的。传统的连续刚构桥多用双薄壁墩来释放各种因素作用下的位移从而减少墩的内力，近年来也有用Y形墩来代替双薄壁墩等形式，本文所介绍的北盘江大桥是将这两种形式结合，设计出的一种新颖的桥型。本文研究了这种大跨刚构桥在各种因素下的动力响应，并进一步分析了其对地震响应的影响规律，得出了相应的结论。

1桥梁概况

某大跨桥梁（包括引桥）全长1261m。主桥跨径布置为： 82.5+220+290+220+82.5m，预应力混凝土空腹（斜腿）式连续刚构。墩高跨大，承台顶至桥面最大高度达178m（8#墩），悬浇T主墩（7#墩）采用双壁薄壁空心墩，最大墩高88米，斜腿部分高度为35m，墩柱总高度为123m。主桥桥型布置如图1所示。

图1 主桥桥型布置图

2不同地震波对结构内力的影响

2.1 地震波的特性

桥梁抗震研究的一个重要的方面是研究地震波的特性，从而分析其对桥梁的影响。为了研究不同卓越周期的地震波对桥梁结构动力反映的影响，先选取了7条不同卓越周期的地震波（MEXICO CTTY波、NAHANNI波、TABAS波、KOBE波、LIVERMORE波、N.PALM SPRINGS波、CHICHI波），调过幅值 。对于调幅后的水平地震波在输入过程中，忽略桩土对桥梁结构的影响，同时不计入行波效应对桥梁结构的影响。在竖向地震波加入的过程中，现将调幅后地震波做进一步折减，其折减系数取0.65（岩石地基）[4]，在此虽然没有考虑桩土对结构的影响，但是计入了行波效应对结构的影响。

2.2 水平地震波响应

在进行水平地震波输入时，同时考虑X和Y两个方向的地震动输入。

2.2.1水平地震波的位移响应

通过上述对地震波的调整，并以此作为水平地震波作用于模型结构。本节选取7#墩、8#墩为研究对象进行分析，分析了在地震波作用下桥墩关键部位的内力、位移响应情况。根据计算结果可得：（1）墩顶处位移对卓越频率较小（小于2Hz）的地震波非常敏感，对较大卓越频率（大于7Hz）的地震波几乎没有影响。（2）当结构受到卓越频率为0.5Hz左右的地震波作用时，桥墩墩顶处的位移达到最大值。两桥墩墩顶处顺桥向位移的方向是相反的，但其绝对值变化趋势相同。

2.2.2水平地震波的内力响应

墩底截面：根据计算可得，墩底轴力和剪力的变化趋势基本一致。当频率小于3Hz时，桥墩墩底弯矩与卓越频率呈反比关系；当频率在3Hz～6Hz时，桥墩墩底處弯矩随着卓越频率不断增大过程中数值仍减小，但其变化幅度较小；随着频率的继续增大，当其大约8Hz左右时，桥墩墩底弯矩随着卓越频率的不断增大而基本不变。

弦梁截面：本文以8#墩为例对上下弦梁进行计算。通过分析得，墩梁结合处的剪力与前面墩顶位移和墩底弯矩随卓越频率的变化规律也非常相近。

2.3竖向地震波响应

所采用的地震波仍然为上述不同频率的7条，它们调幅后的峰值加速度相同，而其卓越频率没变，其特性值如上所述。行波效应的考虑与否，对地震响应的影响也是不同的。因此，把这两种情况作为两种计算工况，计算分析研究竖向地震作用下桥跨结构内力和位移变化。

2.3.1 中跨跨中主梁内力

两种工况下，主梁轴力在这两种工况时的取值非常接近，尤其是当卓越频率大于8Hz时。是否考虑行波效应对主梁的跨中剪力影响比较大。当不考虑行波效应时，不同的卓越频率对应的剪力基本相同。考虑行波效应，轴力对低频时的地震波作用非常敏感。相对于不考虑行波效应来说，考虑行波效应时对弯矩的影响更大。当卓越频率越低时，弯矩值越大。

2.3.2 墩顶内力与位移

以8#桥墩为例，研究两种工况下墩顶内力和位移随卓越频率的变化规律。

轴力随卓越频率的变化趋势在这两种工况下基本一致，考虑行波效应与否对轴力的影响不大。剪力绝对值先减小后增大，卓越频率在大约3～7Hz时，其峰值相对较稳定并且不大。在这两种工况下剪力绝对值也是先减小后增大，但是不考虑行波效应时，剪力值的变化幅度较小。在两种工况下墩顶弯矩值显著不同。并且在不考虑行波效应的工况下，其弯矩值对卓越频率的变化不敏感，而在考虑行波效应时变化显著。

位移在竖向地震波作用下，桥墩主要变形为竖桥向位移。墩顶的横桥向位移为零，顺桥向位移非常小。墩顶位移变化趋势与剪力变化趋势相同。在不考虑行波效应的工况下位移值很小，并且对卓越频率的变化不敏感。

2.3.3 墩底内力

在进行墩底内力计算时，仍以8#墩为例。轴力在这两种工况下的变化趋势一致，不受是否考虑行波效应的影响。在卓越频率为2～6Hz时，轴力值相对较稳定。在卓越频率较大和较小时，都产生较大的轴力值。是否考虑行波效应对主梁墩底的弯矩和剪力影响非常大。并且，在考虑行波效应时，墩顶的剪力和弯矩对不同卓越频率的地震波更敏感。而不考虑行波效应时，虽然也是随卓越频率的变化而变化，但其变化幅度相对较小。

3结语

1、高墩大跨空腹式连续刚构桥对不同卓越频率的地震波反应不同地震波的卓越周期和地面峰值加速度是影响的因素。

2、在水平地震波作用下，当卓越频率较小（小于2Hz左右）时，空腹式连续刚构桥关键部位的位移和内力值随卓越频率的增大而变化显著，之后其变化逐渐趋于平稳，当卓越频率较大时，其影响微乎其微。

3、在竖向地震波作用下，考虑行波效应与否对不同部位内力的影响不同。其中，是否考虑行波效应对主梁截面的轴力影响很小，对剪力、弯矩和位移的影响较大。

参考文献：

[1] 魏涛. 多跨连续刚构桥的设计参数分析及研究[D].长安大学，2010.5

[2] 金林杰. 高墩大跨连续体系梁桥自振特性分析及基频实用计算研究[D].浙江工业大学，2011.4

[3] 王蕾. 大跨度刚构桥地震响应分析及振动台试验研究[D].北京交通大学，2010

[4] JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则