基于减隔震设计的曲线梁桥地震响应分析

徐腾飞

摘要 为充分了解曲线梁桥地震响应特性，文章以沭阳县淮河大道互通A匝道桥为工程背景，采用桥梁博士V4.4.1软件建立了计算模型并进行时程分析，研究分析了高阻尼减隔震橡胶支座以及地震动输入角度对曲线梁桥抗震性能的影响。结果表明，采用高阻尼减隔震橡胶支座后，有效提高了结构安全性及整体抗震性能；桥墩墩顶纵向位移、墩底弯矩随着地震动输入角度的增加均呈先升后降的趋势；同一地震动输入角度工况下，边墩墩顶纵向位移、墩底弯矩均比中墩大。分析过程以及所得结果可为同类桥梁提供参考。

关键词 曲线梁桥；减隔震；地震动输入角度；时程分析

中图分类号 U441.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0069-04

0 引言

鉴于城市发展空间需求，曲线梁桥因其外形美观、适用性强，在城市立交互通的占比越来越高，但受整体曲率效果影响，使得曲线梁桥相比于直线梁桥空间受力更为复杂，地震破坏更为显著。近年来，减隔震研究、设计成果已逐步应用于桥梁工程建设，但大部分针对直线梁桥，曲线梁桥减隔震控制方法的研究还远远不能满足实际工程需要。

该文以沭阳县淮河大道互通A匝道桥为研究背景，采用“非线性动力时程分析方法”研究分析了高阻尼减隔震橡胶支座（以下简称减隔震支座）以及地震动输入角度对曲线梁桥抗震性能的影响，可为同种类型桥梁的减隔震设计提供参考。

1 工程概况

沭阳县淮河大道互通A匝道桥共计9联，桥梁全长714 m，其中第6联平面位于R=120 m圆曲线上，曲率半径最小，因此选取该桥第6联为计算联，第5联、第7联为边界联进行抗震分析。第6联上部结构采用3×20 m

钢筋混凝土现浇连续箱梁，斜腹板单箱单室截面，梁顶宽10.2 m，梁底宽4 m，梁高1.5 m；下部结构采用花瓶墩接承台群桩基础，墩柱高度12～14.5 m，地质条件：承台以下桩基范围内分布着黏土、中粗砂土层，桩基持力层为中粗砂。该工程场地基本地震动峰值加速度为0.15 g，地震基本烈度为7度，场地类别为Ⅲ类，特征周期值为0.65 s。依据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011），由于采用减隔震支座，故该工程为非规则桥梁[1]。因此，该工程需采用“非线性动力时程分析方法”，并建立空间杆系模型进行桥梁抗震分析。限于篇幅仅示意出第5～7联桥型立面布置图，见图1。

2 抗震分析计算模型

该文利用桥梁博士V4.4.1软件建立模型（见图2）进行抗震分析时，选择相邻联作为计算联的边界联，对边界条件进行真实模拟，并将结构自重、二期恒载转换为质量参与抗震分析。上部结构与桥墩之间采用减隔震支座连接，其参数如表1所示。减隔震支座在施工分析及自振分析中均以“线性连接”定义（采用水平等效刚度）；在进行抗震分析验算中，采用“非线性连接”定义（等效双线性恢复力模型模拟）[2]。桩基考虑桩土共同作用，采用等代土弹簧模拟，弹簧刚度采用m法计算，在动力分析中调整系数取为2。在进行时程分析时，结构阻尼比取0.05，采用瑞利阻尼。墩柱的计算高度与截面短边尺寸之比大于8，故需考虑P-Δ效应[3]。

由于该工程未做地震安全性评价，时程分析时可根据地震烈度和场地土类别，得出相应的反应谱数据，并使用地震信号处理工具得出相匹配的地震加速度时程曲线，共计三条。在E2地震作用下进行减隔震设计的非线性动力时程分析时，分析结果选取三条地震加速度时程结果的最大值。三条水平地震波见图3。

3 地震响应分析

3.1 动力特性分析

桥梁博士V4.4.1采用子空间迭代法进行结构的特征值求解以及振型分析。该工程取计算前50阶振型，以成桥状态为初始条件，对建立的计算模型进行结构动力特性分析，前5阶振型分析结果如表2所示。结果表明，采用减隔震支座后，结构的基本周期延长，避开了场地特征周期。

3.2 减隔震效果分析

根據《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）规定，采用减隔震设计的桥梁，可只考虑E2地震作用下的抗震设计和计算。但宜同时对相应的非减隔震桥梁进行抗震设计，检验是否适合采用减隔震设计以及减隔震设计效果[3]。因此，对该工程计算联分别采用减隔震支座和普通板式橡胶支座进行对比分析，14#～17#桥墩的地震响应结果如表3所示。由计算结果可知，墩底最不利弯矩采用减隔震支座仅有普通板式橡胶支座的65%左右，采用减隔震支座时的墩顶位移明显小于采用普通板式橡胶支座时的墩顶位移。由此可知，减隔震支座可以有效改善结构的抗震性能。

3.3 地震动输入角度的影响分析

3.3.1 输入角度的确定

地震响应分析时，直线桥只需输入纵桥向、横桥向两个方向的地震动即可，而曲线桥则需分别考虑沿计算联内相邻桥墩连线方向和垂直于连线水平方向进行多个角度地震动输入，以确定最不利地震响应[1]。

为了掌握地震动输入角度对曲线梁桥地震响应的影响，结合计算模型，该文取计算联内相邻桥墩连线与整体坐标系X方向的夹角作为纵向地震动的输入角Φ，见图4。计算联共计三跨，因此选取6 °、16 °、26 °三个角度作为地震动输入角度。

3.3.2 输入角度对墩顶位移的影响

按照6 °、16 °、26 °依次调整E2地震作用下地震动输入角，对三种角度对应工况下计算联14#～17#墩顶纵向位移进行计算，结果见图5。由计算结果可知，各墩的墩顶纵向位移随着地震动输入角度的增加，均呈现出先升后降的趋势，峰值均出现在Φ=16 °时。另外，同一地震动输入角度工况下，边墩墩顶纵向位移大于中墩墩顶纵向位移。

3.3.3 输入角度对墩底弯矩的影响

同样按照6 °、16 °、26 °依次调整E2地震作用下地震动输入角，对三种角度对应工况下计算联14#～17#墩底弯矩进行计算，结果见图6。由计算结果可知，各墩的墩底弯矩随着地震动输入角度的增加，同样均呈现出先升后降的趋势，峰值均出现在Φ=16 °时。另外，同一地震动输入角度工况下，边墩承受的墩底弯矩要比中墩大。

4 结语

该文通过非线性动力时程分析方法，结合沭阳县淮河大道互通A匝道桥工程实例，研究分析减隔震支座以及地震动输入角度对曲线梁桥抗震性能的影响，得到以下结论：

（1）该工程采用减隔震支座后，结构的基本周期延长，避开了场地特征周期，明显减小了桥墩控制截面最不利弯矩值以及位移响应，有效提高了结构安全性及整体抗震性能。

（2）桥墩墩顶纵向位移、墩底弯矩随着地震动输入角度的增加均呈先升后降的趋势；同一地震动输入角度工况下，边墩墩顶纵向位移以及墩底弯矩均比中墩大。

参考文献

[1]城市桥梁抗震设计规范： CJJ 166—2011[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[2]黄润. 采用摩擦摆式减隔震支座的小半径曲线连续梁桥减隔震效果分析[J]. 福建交通科技， 2023（5）： 45-49.

[3] 公路桥梁抗震设计规范： JTG/T 2231-01—2020[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2020.