新型格构式高墩连续弯梁桥抗震性能分析

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(福建工程学院 土木工程学院， 福建 福州 350118)

新型钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构具有抗震性能良好、承载力高、施工便捷、线型灵活等特点，已成为强震区的理想桥型之一[1-2]。与直梁桥相比，曲线梁桥的传力机理有所不同，尤其是激励角度、曲率半径等参数引起的主梁弯扭耦合效应不可忽略，使得结构受力更为复杂[3]。

曲线梁桥的动力特性及不同参数的抗震性能影响研究开展较早且成果丰富。如文献[4]对比分析了钢筋混凝土直桥与弯桥的动力特性，研究结果表明弯梁桥的整体性能不如直梁桥，建议适当加强结构的抗扭构件设计。文献[5]研究了混凝土连续弯梁桥结构在不同地震动激励角度输入下的影响规律，结果表明：地震输入角度对主梁面内外响应值影响较大；文献[6]对某三跨一联钢筋混凝土高墩小半径曲线梁桥进行地震响应分析，探讨了墩高、曲率半径和激励角度三者之间的影响关系，结果表明高墩曲线梁桥的最不利激励角度不受墩高和曲率半径参数影响，可分别将支座中心连线和与之垂直的方向作为最不利激励角度。文献[7]探讨了混凝土弯梁桥墩底截面曲率与地震动输入方向之间的关系，提出了该类梁桥最不利激励角度的计算简化公式。

综上所述，目前关于弯梁桥结构的动力特性及地震波激励角度参数影响研究主要集中在钢筋混凝土桥梁结构，而关于新型钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构的动力特性及地震响应规律方面的报道较为罕见，其理论研究严重滞后于工程应用，为此本文以干海子大桥为工程背景，探讨了该类新型弯梁桥结构的动力特性、内力分布规律、分析了不同地震波激励角度等对全桥结构的抗震性能影响规律，为其应用推广打下理论基础。

1 钢管混凝土格构式高墩连续梁桥有限元计算方法

1.1 工程背景

干海子特大桥位于四川省雅安石棉县境内，大桥全长1 811 m，分三联三十六跨设计，第一联曲率半径为353 m，第二联和第三联曲率半径均为1 130 m。上部主梁采用钢管混凝土轻型组合桁梁结构，下部桥墩根据不同的墩高值，分别采用双柱式钢筋混凝土墩、钢管混凝土格构柱、钢管混凝土复合墩三种桥墩结构形式。干海子大桥实景详见图1。

图1 干海子大桥实景图Fig.1 Panorama of Ganhaizi Bridge

上部主梁采用钢管混凝土桁架梁结构，分左右两幅，每幅均由钢管混凝土下弦杆、钢管腹杆和预应力混凝土顶板组成。梁高为4.4 m，节间间距均为4.4 m，下弦杆和腹杆分别为Φ813 mm和Φ406 mm钢管，内部填充C60混凝土。下弦杆间设置钢管桁架横系梁。

下部钢管混凝土格构墩柱肢是由4根Φ813(720)×12 mm钢管柱组成，管内填充C50混凝土，纵向柱肢坡度为1∶50，横向直立；柱肢纵桥向采用间距为2 m的Φ406 mm平钢管连接；横向采用间距为10 m的横撑桁架连接，盖梁采用钢筋混凝土结构。柱肢下面是由钢筋混凝土承台和桩基础连接而成的整体受力体系。具体的钢管混凝土格构墩构造详见图2。

(a)桥墩横断面图 (b)桥墩纵断面图图2 钢管混凝土格构墩Fig.2 CFST latticed piers

1.2 有限元计算方法介绍

采用Midas Civil 2015大型有限元程序建立三跨一联的钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构。格构墩和钢管混凝土桁梁均采用空间梁单元模拟，桥面二期恒载按20 kN/m考虑，桥面板、腹杆以及下弦杆为同节点。下弦管与混凝土柱肢单元均采用组合单元模拟两者间的相互作用。根据不同的弹性刚度值分别模拟，固定支座GPZ-12.5GD和盆式支座YLXZ-1000×12。上部主梁两端分别限制其竖向与横向位移，并约束其绕Y、Z轴转动。为简便计算，不计桩-土结合作用，格构墩墩底按固接方式模拟。全桥共有1 059个节点，1 423个单元，三维有限元模型如图3所示。

固定墩 活动墩 图3 有限元模型(B-0)Fig.3 Finite element model of bridge(B-0)

1.3 地震波输入

地震波作为一种地震动激励荷载，能否选择正确合理、适当的地震波是结构抗震性能判断的主要因素之一。

由于该桥址位置处没有相应的地震动记录，结合选波原则，选取E1-centro为地震波激励荷载。根据《中国地震动参数区划图》[8]和《公路桥梁抗震设计细则》[9]有关条文规定，加速度峰值(PGA)为0.086 g，仅考虑顺桥向地震工况。

2 全桥地震响应分析

2.1 自振特性分析

为了掌握钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥的动力特性，有必要对该类新型梁桥结构进行振型模态分析。一般情况下前几阶振型对结构的动力特性影响起到决定性作用，因此对该类新型梁桥结构进行前几阶振型特性分析显得十分重要。篇幅局限，仅列出前5阶振型信息，详见表1和图4。

表1格构式高墩连续弯梁桥前5阶振型特性

Tab.1characteristicsofthefirst5modesthecurvedbeambridgewithlatticedhigh-risepiers

模态号频率/Hz周期/s振型描述10.166.28固定墩一阶纵向弯曲20.761.31活动墩一阶纵向弯曲30.921.09两个桥墩横向弯曲41.160.86两个桥墩均纵向扭转弯曲51.70.61主梁横向扭转弯曲

由表1和图4振型特性和模态信息可知：该类新型梁桥结构前四阶振型特性均表现为固定墩或活动墩弯曲变形，说明该类新型弯梁桥结构主梁空间桁架刚度较大，下部桥墩刚度相对较柔(尤其是纵向方向)；另一方面，结构的自振周期特征数值表明，第一阶振型频率为0.16 Hz，周期长达6.28 s，说明钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构整体刚度较柔，可有效避开与较为坚硬的场地产生的共振效应，有效减小结构的破坏几率具有良好的抗震性能。与文献[10]该类直梁桥结构的振型特性对比发现，弯桥结构第5阶就出现主梁扭转弯曲变形，而直梁桥结构直至第10阶才出现主梁弯扭耦合效应，因此应考虑钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥在自重作用下的弯扭耦合效应对整体结构的地震响应影响。

(a)第一阶振型(T=6.28)

(b)第二阶振型(T=1.31)

(c)第三阶振型(T=1.09)

(d)第四阶振型(T=0.86)

(e)第五阶振型(T=0.61)图4 格构式高墩连续弯梁桥前五阶振型图Fig.4 Diagram of the first 5 modes the curved beam bridge with latticed high-rise piers

2.2 内力分布规律

桥梁结构地震响应分析时，通常选取结构的弯矩、轴力、剪力和位移等指标作为构件控制截面设计或抗震性能评价依据。通过对钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构的受力初步分析，桁梁下弦管和格构墩柱肢分别是主梁和桥墩的主要受力杆件；格构墩缀管主要起到连接柱肢构件的作用。

为了明确该类桥梁梁、墩控制截面位置，对模型进行地震响应内力分布规律探讨。结果表明格构墩柱肢对应的同一截面位置处单元内力值相差甚小，且桁梁结构也类似。因此，分别选取梁、墩同一截面位置处单元的内力平均值做为截面响应值。在顺桥向E1地震作用下，梁、墩典型截面的响应峰值见表2，各个指标包络图如图5～9所示。

表2桥墩和主梁截面内力值

Tab.2Internalforcevaluesofthecrosssectionbetweenthepierandthemainbeam

结构截面位置弯矩My/(kN·m)扭矩Mz/(kN·m)剪力/kN轴力/kN位移/mm主梁桥墩B11 5358402 92110212B226 3315541 38654212B332 6966324 431184213B432 6965034 43186213B526 3325531 38639213B61 5358402 9219213P1378111779 5410P2342711275 353213P3201104506 9550P410286444 62560

结合上述图表计算数值可知，E1地震作用下，钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥主梁典型截面位置处的弯矩和剪力值基本对称分布，梁端(P1)为主梁扭矩峰值截面，扭矩值占弯矩值的54.7%，因此不可忽视主梁的弯扭耦合效应。对于钢管混凝土格构墩，固定墩典型截面处的各个地震响应值均比活动墩高，且墩底径向、切向弯矩、轴力指标均比墩顶截面位置大。根据多遇地震下结构的内力分布规律，分别选取固定支座处作为主梁弯矩控制截面，梁端处作为主梁扭矩控制截面，并选取P1截面位置处的径向、切向弯矩值、轴力值以及P2截面处的位移值作为格构墩抗震控制截面依据指标。

固定墩 活动墩图5 切向弯矩包络图 Fig.5 The envelope diagram of tangential bendingmoment

固定墩 活动墩图6 径向弯矩包络图Fig.6 The envelope diagram of the radial bendingmoment

固定墩 活动墩图7 主梁扭矩包络图 Fig.7 The envelope diagram of the main beam’storque moment

固定墩 活动墩图8 格构墩轴力包络图 Fig.8 The envelope diagram of the latticed pier’saxial force

固定墩 活动墩图9 格构墩位移图Fig.9 Displacement diagram of the latticed pier

3 地震波激励角度影响分析

公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)[9]规定：对于直梁桥结构进行地震响应分析时，可分别考虑纵桥向和横桥向两个水平方向工况即可；曲线梁桥应分别沿着主梁支座连线和垂直于连线水平方向进行多方向地震输入分析计算，从而确定最不利输入方向。

本小节以地震波激励角度为参数，分析不同的激励方向对新型钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥地震响应值的影响规律，从而确定该类新型梁桥结构的最不利地震激励角度。规定两端支座中心连线方向为X方向，桥面内与之垂直的为Y方向，沿墩高方向为Z轴。两桥台连线方向为0，每次递增15直至入射角度为90(结构的对称性)。在不同的地震激励角度下，梁、墩控制截面的响应峰值和柱状图详见表3和图10～ 13所示。

由表3和图11～ 14可知，不同地震波激励角度下，固定墩控制截面位置处的切向弯矩、轴力和墩顶位移响应值指标均随着地震波输入角度的大小而逐渐减小，近似呈余弦变化规律曲线，当激励角度从0°增大到90°时，切向弯矩值、轴力值和墩顶位移值分别减小了91.3%、28.8%、31.5%；相反，桥墩的径向弯矩值随着激励角度从0°到90°，增大了约731.5%；主梁弯矩和扭矩值几乎不受激励角度变化影响。根据上述影响规律，对于钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构， 选取0°和90°作为最不利地震激励角度工况。

表3不同激励角度下的控制截面响应峰值

Tab.3Peakresponsevaluesunderdifferentincentiveangles

激励角度/(°)主梁内力/(kN·m)弯矩扭矩桥墩弯矩/(kN·m)弯矩扭矩桥墩轴力/kN桥墩位移/mm032 6968403781119 5412131532 7028413662109 4802033032 7108443334099 3111894532 7168472766118 8731726032 7218502027718 2601567532 7248511148787 5091469032 724852339236 796146

图10 不同激励角度下的主梁内力峰值Fig.10 Peak internal values of the main beam under different incentive angles

图11 不同激励角度下的桥墩弯矩峰值Fig.11 Bending moment’s peak values of the pier under different incentive angles

图12 不同激励角度下的桥墩轴力峰值Fig.12 Axial force’s peak values of the pier under different incentive angles

图13 不同激励角度下的桥墩位移峰值Fig.13 Displacement’s peak values of the pier under different incentive angles

4 结论

以钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥为研究对象，探讨了该类新型桥梁结构的动力特性、E1地震作用下的内力分布规律、以及不同地震波激励角度对全桥地震响应的影响规律，得到以下几点结论：

1)钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥结构刚度较柔、周期长，抗震性能良好；曲率半径产生的弯扭耦合效应不可忽视。

2)钢管混凝土桁梁下弦管固定支座处是主梁弯矩的控制截面，主梁扭矩最大值处于梁端位置；固定墩墩底是钢管混凝土格构墩弯矩和轴力的控制截面，桥墩剪力和位移最大值位于固定墩墩顶。

3)桥墩切向弯矩、轴力和墩顶位移最大值均出现在0°激励角度，桥墩径向弯矩最大值出现在90°。因此，可选取支座连线方向和与之垂直的方向作为钢管混凝土格构式高墩连续弯梁桥的最不利激励角度。

参考文献：

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[10] 林建茂.钢管混凝土格构式高墩连续梁桥抗震性能及抗震设计研究[D].福州：福建工程学院，2018.