地震作用下西部地區(qū)連續(xù)梁橋的落梁研究

張勇 劉昌清 顧慶

1 概述

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家。從《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》[1]可以看出，西部地區(qū)的地震動(dòng)峰值加速度較大，反應(yīng)譜特征周期較大，屬于高烈度地區(qū)。近年來(lái)，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大規(guī)模推進(jìn)，西部地區(qū)橋梁建設(shè)事業(yè)蓬勃發(fā)展，修建了大量的連續(xù)梁橋。眾所周知，橋梁屬于生命線工程，在抗震救災(zāi)和災(zāi)后重建中肩負(fù)著重要使命。因此，西部地區(qū)連續(xù)梁橋的抗震性能值得研究。

在連續(xù)梁橋的諸多地震破壞中，以落梁破壞最為嚴(yán)重，影響最為深遠(yuǎn)[3]。本文以西部地區(qū)某連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究地震作用下的落梁機(jī)理，通過(guò)設(shè)置連梁裝置來(lái)減小相鄰聯(lián)的地震相對(duì)位移，降低落梁發(fā)生的可能性。研究成果可供工程實(shí)踐參考。

2 工程背景

西部地區(qū)某連續(xù)梁橋三聯(lián)跨徑布置分別為4×40 m，4×40 m和3×40 m，本文重點(diǎn)研究第二聯(lián)。主梁采用整體現(xiàn)澆箱形斷面，橋墩采用空心薄壁箱形斷面，基礎(chǔ)采用雙排樁基礎(chǔ)。由于西部地區(qū)地形起伏較大，本連續(xù)梁橋的墩高差異大。

橋址處地基條件較差，土質(zhì)從上到下依次為回填土、砂土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖和中風(fēng)化泥巖。值得注意的是，本地區(qū)差異風(fēng)化較大，各橋墩處地質(zhì)情況也不盡相同。

3 模型介紹

針對(duì)上述連續(xù)梁橋，應(yīng)用商業(yè)有限元軟件Midas/Civil進(jìn)行建模分析。該模型以縱橋向?yàn)?X軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸(見圖1)。各構(gòu)件與模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

1)梁、墩、樁均采用空間梁?jiǎn)卧M;2)承臺(tái)模擬為質(zhì)點(diǎn)，與墩底節(jié)點(diǎn)和樁頂節(jié)點(diǎn)均采用主從約束;3)考慮土體(包括巖石)對(duì)樁基的作用:土體用彈簧模擬，忽略阻尼和剛度特性的影響，其中彈簧剛度依據(jù)“m法”取值[2];4)按支座實(shí)際位置和性能模擬邊界條件:橋梁每聯(lián)設(shè)置一個(gè)固定支座，該處梁—墩縱橋向主從，其余橋墩墩頂處梁—墩相對(duì)自由;墩頂處梁—墩橫橋向、豎向均主從;5)連梁裝置設(shè)在兩聯(lián)之間的主梁上，采用只受拉單元模擬。

4 地震動(dòng)輸入

本連續(xù)梁位于8度區(qū)，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[2]，應(yīng)采用兩水平設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)思想。圖2分別為對(duì)應(yīng)E1地震和E2地震作用下的一條地震動(dòng)時(shí)程曲線，對(duì)應(yīng)的地震重現(xiàn)期分別為475年(超越概率為50年10%)和950年(超越概率為100年10%)。本文對(duì)E1和E2兩個(gè)階段分別分析，研究連梁裝置對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

5 地震反應(yīng)分析

應(yīng)用上述連續(xù)梁橋模型，分別輸入 E1，E2階段的地震動(dòng)時(shí)程曲線，得到不設(shè)置連梁裝置和設(shè)置連梁裝置兩種工況下的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)結(jié)果，從梁端相對(duì)位移和結(jié)構(gòu)內(nèi)力兩方面對(duì)連梁裝置的影響進(jìn)行評(píng)述。

5.1 梁端相對(duì)位移分析

圖3為E1階段不設(shè)置連梁裝置和設(shè)置連梁裝置兩種工況下梁端地震相對(duì)位移的時(shí)程曲線。由圖3可以看出:設(shè)置連梁裝置后，梁端地震相對(duì)位移顯著減小，第一，第二聯(lián)和第二，第三聯(lián)的最大地震相對(duì)位移值從不設(shè)連梁裝置時(shí)的0.390 m，0.333 m分別減小至設(shè)置連梁裝置后的0.072 m，0.111 m，降幅分別為81.5%和66.8%。

圖4為E2階段不設(shè)置連梁裝置和設(shè)置連梁裝置兩種工況下梁端地震相對(duì)位移的時(shí)程曲線。由圖4可以看出:設(shè)置連梁裝置后，梁端地震相對(duì)位移顯著減小，第一，第二聯(lián)和第二，第三聯(lián)的最大地震相對(duì)位移值從不設(shè)連梁裝置時(shí)的0.576 m，0.580 m分別減小至設(shè)置連梁裝置后的0.113 m，0.195 m，降幅分別為80.4%和66.4%。

由此可見:連梁裝置對(duì)于減小梁端相對(duì)位移以及防止落梁是有效的。

5.2 橋墩內(nèi)力分析

圖5為E1階段不設(shè)置連梁裝置和設(shè)置連梁裝置兩種工況下固定墩墩底和該處樁頂?shù)卣饛澗氐臅r(shí)程曲線。由圖5可以看出:設(shè)置連梁裝置后，固定墩墩底和該處樁頂?shù)卣饛澗鼐@著減小，其值從不設(shè)連梁裝置時(shí)的137.1 MN?m，9.3 MN?m分別減小至設(shè)置連梁裝置后的77.9 MN?m，5.3 MN?m，降幅分別為43.2%和42.9%。

圖6為E2階段不設(shè)置連梁裝置和設(shè)置連梁裝置兩種工況下固定墩墩底和該處樁頂?shù)卣饛澗氐臅r(shí)程曲線。由圖6可以看出:設(shè)置連梁裝置后，固定墩墩底和該處樁頂?shù)卣饛澗鼐@著減小，其值從不設(shè)連梁裝置時(shí)的242.1 MN?m，16.3 MN?m分別減小至設(shè)置連梁裝置后的138.7 MN?m，9.4 M N?m，降幅分別為42.7%和42.3%。

由此可見:連梁裝置對(duì)于減小地震彎矩是有效的。

5.3 連梁裝置作用機(jī)理分析

連梁裝置可有效減小地震作用下的梁端相對(duì)位移，這是因?yàn)樵诳v橋向，連梁裝置將上部結(jié)構(gòu)連成整體，當(dāng)梁端發(fā)生較大相對(duì)位移時(shí)對(duì)其進(jìn)行限制。在某種程度上，由于上部結(jié)構(gòu)整體性的增強(qiáng)，其抗震性能提高，產(chǎn)生的位移對(duì)地震作用不甚敏感。

連梁裝置可有效減小地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，這是因?yàn)殡S著上部結(jié)構(gòu)地震位移的減小，固定墩頂?shù)奈灰埔蚕鄳?yīng)減小，墩頂相對(duì)于墩底的位移也在減小，對(duì)墩底產(chǎn)生的彎矩也隨之減小，傳遞到樁頂?shù)膹澗匾苍跍p小。

6 結(jié)語(yǔ)

在西部山區(qū)連續(xù)梁端設(shè)置連梁裝置，可以有效減小地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和梁端相對(duì)位移，降低落梁的概率，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。因此建議在西部山區(qū)地震作用較為強(qiáng)烈的地區(qū)，對(duì)連續(xù)梁橋設(shè)置連梁裝置，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。

[1] GB 18306-2001，中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖[S].

[2] JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[3] 范立礎(chǔ).橋梁抗震[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

[4] 葉愛(ài)軍.基于地震作用下連續(xù)鋼桁梁橋動(dòng)力響應(yīng)分析[J].山西建筑，2008，34(6):318-319.