曲线高墩连续刚构桥抗震性能研究

杨 秀 涛

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 450052)

曲线高墩连续刚构桥抗震性能研究

杨 秀 涛

(河南省交通规划设计研究院股份有限公司,河南 郑州 450052)

本文以一座3跨曲线连续刚构桥为例，建立桥梁空间动力分析模型，针对地震作用下曲线主梁和薄壁高墩的反应结果变化特点，讨论了曲率半径和系梁共同作用下的地震响应规律，并得出相应研究结果。为曲线连续刚构桥抗震设计提供一定的依据。

曲线连续刚构桥；系梁；地震响应；自振特性；抗震设计

随着我国交通建设的迅速发展，西北地区高等级公路逐渐增多。由于该区域沟壑崎岖的地形特点，为跨越深、宽沟而采用高墩弯桥也就不可避免。高墩大跨径连续刚构桥跨越能力大、受力合理、结构整体性好、造型美观且施工相对简单，在同等条件下其投资比斜拉桥、悬索桥明显偏低，是一种极有竞争力的桥梁结构形式。考虑地震动力作用下的曲率半径和桥墩稳定性对结构地震响应，申永刚[1]建立一座5跨薄壁高墩连续刚构桥的空间抗震有限元模型，运用时程分析法计算了一致激励及行波效应下高墩的地震响应。主要是针对连续刚构桥非线性地震响应进行定量研究。石雄伟[2]以某弯连续刚构桥为例，采用通用有限元程序分析了5种不同的双薄壁墩间距对桥梁结构自振频率的影响，选取桥位场地人工合成地震波，对其进行了弹性地震响应分析。郑凯锋[3]探讨了在双薄壁高墩连续刚构桥中设置弹塑性连接梁的减震方案，分别计算了是否设置弹塑性连接梁的2个桥式，比较了在大震作用下墩柱的弯矩、剪力与位移变化情况。不同曲率半径和高墩稳定性共同作用将使得结构的地震响应发生明显改变，但对于曲线连续刚构桥抗震设计目前尚缺乏相应的依据。因此，有必要对曲线高墩连续刚构桥地震行为进行分析，研究曲率半径和桥墩稳定性对结构抗震性能的影响。

1 刚构桥模型

本文以西北地震多发区某曲线高墩连续刚构桥为工程背景，选取主梁曲率半径、双薄壁墩系梁布置对连续刚构桥动力及地震响应的影响进行研究,桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置图(单位：cm)

2 地震波选取

根据场地特征，设计场地类别为Ⅱ类，设计特征周期为0.40 s。选取El Centro波进行桥梁结构地震反应非线性时程分析。

3 计算结果

根据高墩刚构桥的动力分析模型，按照抗震设计规范的规定，本文给出了直桥前10阶振动频率、周期和振型特征。直线桥自振特征计算结果如表1所示。

表1 直线桥自振特征计算结果

为了研究主梁曲率半径和桥墩横向刚度共同作用下的地震效应影响，在直桥的基础上，考虑不同曲率半径和系梁数目共建立7个动力分析模型，分别为：无系梁、1道系梁、2道系梁、3道系梁(设置位置为桥墩等分点)及曲率半径500 m、800 m和1 000 m。

3.1 曲率半径对自振特性影响分析

考虑不同曲率半径对连续刚构桥的自振特性影响结果如图2所示。

图2 不同曲率半径的曲线桥自振周期计算结果

根据有限元模型计算结果可知，曲线连续刚构桥的振动型式与直桥保持一致。由图2可以看出，随着桥梁振型阶数的增加，曲率半径的影响效应不断减弱。具体来说，曲率半径越大，一阶桥墩横向振动频率增大；桥梁第1阶振型出现了桥墩横向弯曲振动，是由于该桥采用薄壁高墩，导致桥墩横向抗推刚度较小的原因。同时，不同曲率半径随模态阶数的增加各振型周期变化规律并不一致。对于前7阶振型，曲率半径小于800 m时对桥梁自振周期的影响较大，而当曲率半径超过800 m时，其对桥梁自振周期的影响较小。

图3 1#墩底弯矩变化图 图4 1#墩底剪力变化图

墩底弯矩、剪力变化分别如图3、图4所示。从图3和图4可知，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、剪力都有不同程度的减小，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，扭矩有所增大。

图5 不同系梁设置的曲线桥自振周期计算结果

图6 2#墩底弯矩变化图

3.2 系梁设置对自振特性影响分析

考虑不同系梁设置模式对连续刚构桥的自振特性影响结果如图5所示，结构动力特性对比如表2所示。

表2 不同系梁道数下结构的动力特性对比

从图5可以得出，随着系梁道数的增加，曲线连续刚构桥桥墩横向刚度的变化引起全桥振型发生变化。随着系梁数目的增加，第一阶振型转变为以桥墩横向振动为主。这是因为系梁数目的增加改变了原有结构体系，横向抗推刚度增加。

图7 2#墩底剪力变化图

结构在纵向、横向激励作用下桥墩地震效应随系梁变化的结果如图6、图7所示。从图6和图7可知，纵向激励作用下的桥墩的弯矩、剪力变化幅度不大。在桥墩横向设系梁后，墩底的地震弯矩随之减小。其中，以在两薄壁桥墩中间位置设置1道系梁效果最优，墩底弯矩降幅为17.1%。但随着系梁数目增加，对墩底地震弯矩影响敏感性减小，均匀设置3道系梁时对应的降幅为11.4%。

系梁将结构体系转变为框架体系，桥墩中间设置一道即改变了框架结构的高宽比，此时的横向抗推刚度足以保证桥墩绕横桥向转动被约束，较原薄壁单柱体系增加了侧向刚度，高宽之比为2较为适宜。过多的系梁设置对结构抗震性能并无大多的帮助，反而增加工程成本。而墩柱所受剪力变化规律与墩底弯矩变化基本一致，以墩中央设置一道系梁为降幅最大，降幅为27%。由于系梁不直接承受桥墩属相荷载，其截面高度较桥墩截面尺寸要小，但考虑除连接双薄壁墩组成空间承重骨架外，还承受包括风荷载和地震作用，对系梁与桥墩的结合处，建议增大控制截面尺寸。

4 结 语

(1)随着曲率半径的增加，曲线连续刚构桥的振动型式与直桥基本保持一致，对于桥梁前7阶振型而言，各方向的振型逐渐变小，当振型超过7阶后，各方向振型基本相同。

(2)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。

(3)随着系梁道数的增加，曲线连续刚构桥桥墩横向刚度的变化引起全桥振型发生变化，第一阶振型转变为以桥墩横向振动为主，随着系梁数目的增加，桥墩的弯矩、剪力随之变大，位移有所减小，以墩中央设置一道系梁为降幅最大，建议在进行抗震设计时在墩1/2处设置一道系梁。

[1] 申永刚，陈建伟，项贻强.薄壁高墩大跨连续刚构桥墩抗震性能的分析[J].公路，2007，4(04) ：92-96.

[2] 石雄伟，刘海鹏，周勇军,等.双薄壁墩间距对连续刚构桥地震响应的影响[J].交通运输工程学报，2010，10( 3) ： 35-40.

[3] 郑凯锋,文曙东,栗怀广.弹塑性连接梁在双薄壁高墩连续刚构桥中的应用[J].西北地震学报，2007，29(4) ：303-306.

[4] 周勇军，贺拴海，张岗,等.桥墩截面形式对弯连续刚构桥地震响应的影响[J].公路交通科技，2009，26(2) ：68-72.

[5] 何钦象，田小红，宋丹.高墩大跨径连续刚构桥抗震性能评估[J].振动与冲击，2009,28(1) ：68-71.

[6] 周绪红，戴鹏，狄谨.曲线PC箱梁桥隔震体系的非线性分析[J].中国公路学报，2008，21(1) ：65-71.

Analysis on Seismic Response of Continuous Rigid Frame Bridge with Partial Curve Long Span

YANG Xiutao

(Henan Provincial Communications Planning and Design Institute Co.,Ltd, Zhengzhou 450052, China)

In this paper, a three span continuous rigid frame bridge is taken as an example to establish the model of spatial dynamic analysis of the bridge. According to the characteristics of the response of the curved main beam and the thin-walled high pier under earthquake action, the effects of the curvature radius and the tie response law are discussed, and the corresponding research results are put forward. The results provide a basis for the seismic design of continuous rigid frame bridge based on curve.

curve continuous rigid frame bridge; tie beam; seismic response; vibration characteristics; seismic designer

2017-04-10

杨秀涛(1980-)，男，贵州遵义人，本科，工程师，主要从事桥梁设计方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.010

U442

A

1674-5403(2017)02-0035-04