多维地震作用下大跨度连续刚构桥动力响应研究

坎 彬

(云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650041)

0 引言

连续刚构桥[1]具有跨越能力强、造型优美等特点，被广泛应用于高速公路中。由于连续刚构桥为多次超静定结构[2]，在地震等作用下会产生较大的内力，使得对结构受力产生不利影响[3]。

为了解决地震作用对连续刚构桥的影响，学者们对连续刚构桥地震响应进行了研究[4-6]。肖龙等[7]在考虑地震动的长周期特性基础上，对规范反应谱进行修正，基于修正的反应谱探究了某高墩连续刚构桥地震响应；李军等[8]通过耐震时程法研究了连续刚构桥动力响应以及桥墩损伤情况；王东升等[9]总结和归纳了我国当前连续刚构桥地震响应问题，并提出了当前连续刚构桥抗震研究存在的不足之处；刘国强[10]、杨广庭[11]、李俊[12]分别从交通运行效率、不等高墩和高烈度地震角度研究了连续刚构桥地震响应。

上述成果探究了连续刚构桥在单维地震作用下的动力响应，然而理论研究和震害情况表明，地震发生时地面应当产生复杂的多维运动，且结构考虑多维地震作用下的响应明显异于单维地震情况。为了研究多维地震对连续刚构桥的影响，本文以西南地区某超大跨度双肢薄壁墩[13]连续刚构桥为工程背景，探究多维地震作用下刚构桥的动力响应问题。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

为探究多维地震作用下超大跨度连续刚构桥动力响应问题，以跨径为(106+200+106) m的双肢薄壁墩连续刚构桥为工程背景，该桥的桥型布置情况如图1所示。

刚构桥主梁采用单箱单室箱形截面，箱梁顶宽11.5 m，底宽7 m，两侧翼缘悬臂长度2.25 m。箱梁桥墩支点处梁高12.6 m，跨中4.4 m，按1.8次抛物线渐变。

中间墩采用变截面双薄壁墩，墩身宽8.0 m，厚2.2 m，相邻两薄壁墩净距6.0 m。

主要材料如下：

1)混凝土：上部箱梁采用C55混凝土，主墩墩身、过渡墩墩帽、支座垫石的混凝土采用C50混凝土，过渡墩墩身采用C40混凝土，过渡墩承台、桥墩桩基、挡块及防撞护栏采用C30混凝土;承台垫层采用C25片石混凝土。

2)预应力钢束：纵、横向预应力束采用标准强度1 860 MPa 低松弛钢绞线，公称直径15.2 mm，公称面积140.0 mm2，弹性模量1.95×105MPa。

1.2 地震荷载

该桥桥址处地震动峰值加速度为0.1g，反应谱特征周期为0.35 s，设计地震分组为第一组，相当于地震基本烈度区划等于7度区，场地类别为Ⅰ类。首先结合桥址处场地条件，并结合JTG/T 2231-01—2020公路桥梁抗震设计规范可知，该桥抗震设防类别为A类，可得到如图2所示的加速度反应谱，其次将得到的规范反应谱作为目标反应谱，不考虑地震行波效应的影响，利用地震动人工合成法得到3条水平波和1条竖向波如图3所示。

1.3 工况设置

由于地震一般以时程的形式对桥梁结构进行激励，且地震激励方向难以预见，因此地震时程分析时以纵向+横向+竖向的三向多维地震激励较为合理，工况设置情况如表1所示。

表1 工况设置

2 模型及动力特性

2.1 计算模型

为了探究上述计算工况下刚构桥的动力响应问题，有必要利用有限元软件建立上述三跨双肢薄壁高墩连续刚构桥计算模型，全桥采用梁单元模拟主梁、桥墩、桩基以及承台，采用弹性连接模拟梁端支座。在桩基进行固结约束，在梁端约束竖向和横向位移，纵向放开。全桥共计1 100个节点，870个单元，预应力钢束通过输入钢束坐标并分配给主梁相应单元进行模拟，计算模型如图4所示。

2.2 动力特性

动力特性是结构固有属性，对结构动力特性进行研究有助于理解和掌握结构基本受力特点，也是后续复杂的结构地震响应分析的基础，该桥结构自振特性如表2所示。

表2 结构自振特性

3 计算与分析

3.1 反应谱工况

1)位移。

按表1中计算工况1和计算工况2可得到反应谱两个计算工况下的主梁竖向、纵向和横向位移，三者对应的最大位移值和位置如表3，图5所示。

表3 位移计算值

分析表3，图5可知：

a.在纵向+竖向地震作用下的主梁竖向位移、纵向位移和横向位移分别为0.050 8 m,0.304 m和0.003 m，最大值发生在2号墩顶主梁截面的纵向位移。

b.在横向+竖向地震作用下的主梁竖向位移、纵向位移和横向位移分别为0.054 m,0.005 m和0.381 m，最大值发生在主跨跨中2号墩方向13 m处的横向位移。

c.纵(横)向+竖向地震下的纵(横)向位移最大，这是因为纵(横)向地震容易激发桥梁结构的纵(横)向振型，进而导致纵(横)向的位移值较大。

2)内力。

按表1中计算工况1和计算工况2可得到反应谱两个计算工况下的弯矩、剪力、扭矩和轴力计算，结果如表4，图6所示。

表4 内力计算值

分析表4，图6可知：a.两种地震工况作用下的弯矩值最大，尤其在横向+竖向地震下的弯矩值最大，说明横向刚度可能较低。b.在纵向+竖向地震作用下的弯矩、剪力、扭矩和轴力最大值分别为5.40×104kN·m，1.99×104kN，2.89×10-2kN·m和3.38×104kN。c.在横向+竖向地震作用下的弯矩、剪力、扭矩和轴力最大值分别为6.34×105kN·m，2.06×104kN，8.89×104kN·m和3.39×104kN。

3.2 时程工况

1)位移。限于篇幅，下面仅给出了时程波1的纵向和横向位移时程(如图7所示)，而三个时程工况下的主梁纵向、横向和竖向位移如表5所示。

表5 位移计算值

分析图7，表5可知：a.整体而言，三个时程计算工况下的主梁纵向、横向和竖向位移大体相差不大，这是因为三个计算工况均为三向地震激励，且三条水平波PGA相差不大。b.仔细对比分析可知，工况5下的位移值最大，这是因为人工波3下的PGA最大，其次为人工波1，最小为人工波2。

2)内力。三个时程工况下的弯矩、剪力、扭矩和轴力计算结果见表6，图8。

表6 内力计算值

分析表6，图8可知：

a.三个时程计算工况下的弯矩值最大，且最大值发生在时程工况5即人工波3作用时矮墩承台底(见图9(a))。

b.三个时程计算工况下的墩顶附近主梁截面轴力较大(见图9(b))，在地震设计时，要适当加强墩顶截面轴向抗压能力。

限于篇幅，下面仅给出三个时程计算工况也即三条人工波下的弯矩随时间变化规律，如图10所示。

分析图10可知，三个时程计算工况下弯矩时程变化趋势基本保持一致，且整体波形与地震波时程类似。

4 结论

1)在纵向+竖向地震、横向+竖向反应谱地震作用下的位移最大值分别为0.304 m和0.381 m，分别为纵向和横向位移，这是因为纵(横)向地震容易激发桥梁结构的纵(横)向振型。2)在横向+竖向反应谱地震工况下的内力值最大，其弯矩、剪力、扭矩和轴力最大值分别为6.34×105kN·m，2.06×104kN，8.89×104kN·m和3.39×104kN。3)三个时程计算工况下的主梁纵向、横向和竖向位移大体相差不大，这是因为三个计算工况均为三向地震激励，且三条水平波PGA相差不大。4)三个时程计算工况下的弯矩值最大，发生在矮墩承台底，而轴力最大值发生在墩顶附近主梁截面，在地震设计时，要适当加强墩顶截面轴向抗压能力。