考虑地震响应的连续刚构桥下部结构设计研究

马如飞

摘要 为研究连续刚构桥下部结构的动力特性、地震响应规律，文章以桥梁下部结构内力、位移为研究对象，通过Ansys有限元分析探究桥墩类型、墩截面形式与结构力学参数间关系，以桩土作用、墩底固结情况分别确定连续刚构桥在地震作用下的敏感参数及其变化规律。结果表明：按墩底固结分析得到的墩柱内力、位移，较按桩土共同作用分析更保守；双薄壁墩连续刚构桥较单薄壁墩连续刚构桥整体刚度、结构频率、主梁弯矩、主梁位移及墩底应力小；相同截面积下，实心墩连续刚构桥较空心墩连续刚构桥结构频率小、抗震性能优。

关键词 地震响应；连续刚构桥；下部结构

中图分类号 U448.23文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0087-03

0 引言

连续刚构桥行车平顺、施工便捷，且适应大跨度建设，近些年得以快速推广应用[1]。已有连续刚构桥地震响应研究主要探究单因素影响，欠缺系统性规律总结。该文通过对比单/双薄壁墩、实心/空心截面下结构的动力特性及地震响应，探究了地震作用下连续刚构桥的敏感参数及变化规律。

1 工程概况

依托某曲线连续刚构桥（110 m+200 m+110 m）展开分析，下部结构设计参数如表1所示。地震波输入无明确主方向，弹性设计时地震波按顺桥向、横桥向两个方向分别验算，不考慮多点激励、相位差影响。

通过Ansys建立并分析有限元模型，采用beam188单元定义主梁、桥墩，取各施工段质量、惯矩平均值定义材料。限制边墩的竖向位移、横向位移、扭转约束及横向弯曲。

考虑桩土共同作用（SSI）时，模型定义遵循以下假设[2]：

（1）用等代线弹性土弹簧杆单元模拟土层恢复力性质，以“m”法计算刚度。

（2）忽略桩周竖向摩阻力及其他外力影响。

（3）忽略群桩中各桩间相互影响。

桩基简化为连续梁，桩群附近土体按等刚度原则简化为Link8单元（等代土弹簧杆单元），杆单元一端固定，一端与桩基相连[3]。杆单元截面积换算如下：

式中，m——地基土比例系数；Z——土体深度；a——土层厚度；bp——土层对桩的有效作用宽度；l——杆单位长度，取为1 m；E——桩的弹性模量。

采用Elcentro记录定义模型地震波输入，调幅加速度峰值amax为0.2 g[4]。该波持续时间为20 s，时间间隔为0.02 s，记录周期范围为0.25～0.60 s，动力放大系数为2.689。

2 桥墩类型影响分析

分别建立单、双薄壁墩连续刚构桥有限元模型。单薄壁墩截面尺寸为7 m×8 m，壁厚为1.1 m、1.4 m。桩底固结较实际地质条件差异显著，因此仅考虑SSI（桩土共同作用）及NOSSI（墩底固结）情况。

2.1 动力特性

结构频率随桥墩类型变化如图1所示。

由图1可知，墩底固结情况下桥墩类型对结构横向、纵向动力特性影响显著，单薄壁墩连续刚构桥横向一阶频率较双薄壁墩连续刚构桥提升约10%，单薄壁墩连续刚构桥纵向一阶频率较双薄壁墩连续刚构桥提升约40%；桩土共同作用情况下桥墩类型对结构横向动力特性的影响可忽略，但纵向动力特性影响显著，单薄壁墩连续刚构桥纵向一阶频率较双薄壁墩连续刚构桥提升约4%，单薄壁墩连续刚构桥纵向一阶频率较双薄壁墩连续刚构桥提升约35%。

2.2 顺桥向地震响应

施加顺桥梁激励，结构内力、位移随桥墩类型变化如图2所示。

由图2可知：

（1）考虑墩底固结，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，主梁竖向弯矩降幅约为45%～80%；考虑桩土共同作用，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，主梁竖向弯矩降幅约为35%～60%。

（2）考虑墩底固结，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，墩底纵向应力、纵向剪力降幅约为70%、50%；考虑桩土共同作用，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，墩底纵向弯矩、纵向剪力降幅约为30%、62%。

（3）相较于单薄壁墩，采用双薄壁墩能降低主梁竖向弯矩、竖向位移，减少结构纵向一阶频率。

2.3 横桥向地震响应

施加横桥梁激励，结构内力、位移随桥墩类型变化如图3所示。

由图3可知：

（1）考虑墩底固结，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，主梁边跨跨中及边跨根部横向弯矩增幅约为4%、2%，主梁中跨根部及中跨跨中横向弯矩降幅约为8%、16%；考虑桩土共同作用，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，边跨跨中、中跨主梁根部及中跨跨中横向弯矩增幅约为7%、6%、3%，边跨主梁根部横向弯矩降幅约为13%。

（2）考虑墩底固结，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，墩底横向应力、横向剪力降幅约为23%、47%；考虑桩土共同作用，由单薄壁墩转变为双薄壁墩，墩底横向弯矩、横向剪力降幅约为10%、50%。

（3）相较于单薄壁墩，采用双薄壁墩能降低主梁横向弯矩、横向位移，减少结构横向一阶频率。

3 墩截面形式影响分析

分别建立实心、空心墩截面连续刚构桥有限元模型。桩底固结较实际地质条件差异显著，因此仅考虑SSI（桩土共同作用）及NOSSI（墩底固结）情况。

3.1 动力特性分析

结构频率随桥墩类型变化如图4所示。

由图4可知，实心墩连续刚构桥体系更柔，结构频率更小。墩底固结情况下实心墩连续刚构桥较空心墩横向一阶频率下降约10%，纵向一阶频率下降约37%，竖向一阶频率下降约7%；桩土共同作用情况下实心墩连续刚构桥较空心墩横向一阶频率下降约41%，纵向一阶频率下降约13%，竖向一阶频率下降约5%。

3.2 顺桥向地震响应

施加顺桥梁激励，结构内力、位移随墩截面形式变化如图5所示。

由图5可知：考虑墩底固结，由空心墩转变为实心墩，墩底纵向应力、墩底轴力降幅约为6%、30%；考虑桩土共同作用，由空心墩转变为实心墩，墩底纵向应力增幅约为9%，纵向剪力、墩底轴力降幅约为50%、20%。相较于空心墩，采用实心墩能减少结构纵向一阶频率，提高墩底轴力。

3.3 横桥向地震响应

施加横桥梁激励，结构内力随墩截面形式变化如图6所示。

由图6可知：考虑墩底固结，由空心墩转变为实心墩，墩底横向应力、墩底轴力降幅约为3%、43%，横向剪力增幅约为4%；考虑桩土共同作用，由空心墩转变为实心墩，墩底横向应力、墩底轴力增幅约为16%，横纵向剪力降幅约为8%。相较于空心墩，采用实心墩会提高墩底轴力，实心墩连续刚构桥抗震性能优于空心墩连续刚构桥。

4 结语

该文依托具体工程实例，通过数值分析主要探究了墩柱类型、截面形式对连续刚构桥动力特性、地震响应的作用规律。研究结果表明：

（1）墩底固结假定下计算得到：墩柱内力、位移较桩土共同作用假定更保守。

（2）地基土层性质对地震响应分析作用显著。

（3）相较于单薄壁墩连续刚构桥，双薄壁墩连续刚构桥整体刚度、结构频率、主梁弯矩、主梁位移及墩底应力更小。

（4）相较于空心墩连续刚构桥，同截面面积的实心墩连续刚构桥结构频率更小、抗震性能更优。

参考文献

[1]周勇军. 高墩大跨曲线连续刚构桥梁地震响应的设计参数研究[D]. 西安：长安大学， 2006.

[2]尹成， 余钱华. 桩土相互作用对大跨度刚构桥抗震影响分析[J]. 公路与汽运， 2020（2）： 119-121.

[3]张炳鑫. 考虑梁端碰撞效应的大跨高墩连续刚构桥梁地震易损性分析[D]. 成都：西南交通大学， 2020.

[4]刘洋. 曲线刚构桥的动力特性与地震响应分析[D]. 昆明：昆明理工大学， 2020.