曲率半径对曲线连续刚构桥抗震性能影响的研究

孙 杰

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）

曲率半径对曲线连续刚构桥抗震性能影响的研究

孙 杰

（中国建筑土木建设有限公司，北京 100070）

以曲线连续刚构桥为例，运用桥梁专业有限元分析软件MIDAS Civil建立有限元模型进行仿真分析，探讨该桥桩-土相互作用的模拟，对比分析了不同曲率半径对结构动力特性和地震反应的影响。相关结论可为桥梁设计提供技术支持，也可供桥梁抗震概念设计参考。

曲线连续刚构桥；曲率半径；地震响应；自振特性；抗震设计

1 工程概况

该桥为某高速公路上的大型桥梁，为曲线连续刚构桥，跨径组合为（50+90+50）m，曲率半径为1 000 m。主桥桥墩由两片薄壁墩构成，为矩形截面，高度分别为65.00 m和53.00 m。薄壁墩及其系梁用C40混凝土，基础用C30混凝土。地震基本烈度7度，按8度设防。有限元分析模型主要采用梁单元、刚性单元和弹簧单元。主梁、桥墩、承台和桩基用梁单元模拟，桩-土相互作用则使用节点弹性约束模拟，桥墩与主梁、桩基与承台之间使用刚性连接。为对比下部基础的计算模式对结构动力性质的影响，分别按墩底固结和考虑桩土相互作用进行计算。采用土弹簧模拟桩-土的相互作用。桩基承受各种荷载作用后会产生位移而压缩土体，进而土体对桩基有了抗力，因将土体变形假设为弹性，这里采用E.Winkler的土抗力与其压缩量成正比的假设，则土层水平抗力可定义为

式中：σx为单位面积土层的水平抗力，kPa；X为桩在深度z的水平位移；Cz为桩周土的地基水平向抗力系数，kPa/m。

输入地震波采用E1 Centro波南北分量，并根据场地类型的加速度峰值进行了调幅处理。由于曲线桥结构受力的复杂性，假定地震波按照本文所定义的纵向和横向分别输入，不考虑结构的多点激励及输入方向的影响。调整后的El Centro波时程曲线如图1所示。

2 曲率半径影响分析

为了探讨曲率半径对结构在地震作用下的反应影响，分别建立六种模型进行分析，即：R=1 000 m、R=800 m、R=500 m，每种情况分别考虑墩底固结和桩-土相互作用。

图1　El Centro波加速度时程曲线

2.1自振特性分析

桥梁结构的自振特性是进行结构动力分析和抗震设计的重要参数，一般情况下结构前若干阶自振频率和振型在抗震计算时起控制作用，因此，本文给出桥梁结构的前10阶动力特性，8个模型下曲线连续刚构桥的自振特性分析结果如表1和表2所示。

表1　不同曲率半径结构的动力特性对比（墩底固结）

表2　不同曲率半径结构的动力特性对比（考虑桩土）

从表1-2可以看出：

（1）在前十阶振型中，随着曲率半径的增加，无论考虑桩土相互作用与否，曲线连续刚构桥的振动型式并没有发生改变，说明曲率半径对结构的振动型式影响不显著。

（2）与墩底固结模型相比，考虑桩土作用后，结构一阶振型由纵飘变为1#墩横弯，说明考虑桩土作用后，结构的横向刚度较小。这主要是桩土作用影响了结构的刚度分配，导致了振型的变化。

（3）随着曲率半径的减小，对于墩底固结和考虑桩土相互作用模型，结构的频率逐渐增大，这主要是由于曲率半径的减小增大了结构的整体刚度。3.2 地震响应分析

结构在纵向、横向激励作用下，各模型墩底内力和墩顶位移随曲率半径变化的结果如图2～图9所示。

图2　1#墩底弯矩变化图

图3　1#墩底剪力变化图

由上图结果可以得出：在纵、横桥向地震作用激励下，结构曲率半径的逐渐减小后，各桥墩的弯矩、剪力和墩顶位移都有不同程度的减小，但扭矩有所增大。说明在一定曲率半径内，曲率半径越小，其抗震性能越好，但随着半径越小，桥梁弯曲程度越明显，则弯扭耦合效应会愈加显著，这样不利于结构受力。

图4　1#墩底扭矩变化图

图5　1#墩顶位移变化图

图6　2#墩底弯矩变化图

图7　2#墩底剪力变化图

图8　2#墩底扭矩变化图

图9　2#墩顶位移变化图

因此，针对曲线桥的抗震设计，必须充分考虑该桥的弯扭耦合效应，在满足截面抗弯刚度要求时，尽可能的增加截面的抗扭刚度，使弯扭刚度比降低，以降低弯扭耦合效应对结构受力的不利影响。

4 结 论

（1）随着结构曲率半径的变小，其自振频率逐渐变大，主要是因为曲率半径的减小增大了结构整体刚度。

（2）曲线连续刚构桥在墩底固结情况下前2阶振型分别为：纵飘和高墩横弯，考虑桩土作用后分别为：高墩横弯和纵飘。说明考虑桩土作用后会使结构的横向刚度减小，改变结构振动型式。

（3）曲率半径越小，其抗震性能越好，但随着半径越小，结构的弯扭耦合效应会愈加显著，这样不利于结构受力。建议在满足截面抗弯刚度要求时，尽可能的增加截面的抗扭刚度，使弯扭刚度比降低，以降低弯扭耦合效应对结构受力的不利影响。

［1］ 兰燕.桥墩造型及其抗震性能研究［D］.西安：长安大学，2005.

［2］ 宋一凡.公路桥梁动力学［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］ 重庆交通科研设计院.公路桥梁抗震设计细则（JTG/ T B02-01-2008）.北京：人民交通出版社，2008.

U441

C

1008-3383（2016）09-0088-02

2016-07-22

孙杰（1987-），男，江苏盐城人，助理工程师，研究方向：桥梁结构计算分析与施工技术管理。