墩高對簡支梁橋抗震性能的影響分析

王 欣 白海峰

(大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

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墩高對簡支梁橋抗震性能的影響分析

王 欣 白海峰

(大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧 大連 116028)

以位于高烈度地區的某高墩橋梁為例，建立了計算模型，對不同高度橋墩進行反應譜分析和非線性時程分析，研究了高墩簡支橋梁在高烈度地震作用下不同墩型對墩底彎矩的影響，分析表明高墩簡支梁橋整體呈現出柔性結構特點，在高烈度地震作用下墩底產生較大彎矩，隨著墩高的增加，實心墩整體彎矩相對薄壁空心墩增加較快。

簡支梁橋，反應譜法，時程分析法，抗震性能

0 引言

橋梁是一個國家的生命線，橋梁的抗震性能十分重要。大多數橋梁工程抗震設計規范只適用于常規橋梁抗震分析，我國JTG/T B02—01—2008公路橋梁抗震設計細則規定墩高超過40 m的橋梁應做專項研究[1]。高墩橋梁的抗震設計經驗還不豐富，所以研究高低墩的地震反應特點，對橋梁結構的合理抗震設計具有重要意義。

簡支梁橋是梁式橋中應用最為廣泛的一種橋型。本文以簡支梁橋為研究對象，建立地震作用下橋梁模型，采用MIDAS軟件對橋梁進行模擬計算，通過反應譜法和時程分析法來研究地震荷載對墩柱的動力響應[2-6]。

1 橋梁結構地震反應分析方法

本文對于橋梁抗震研究采用反應譜法和時程分析法。

1.1 反應譜分析法

本文中橋梁反應譜抗震分析的設防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s，阻尼比為0.05，地震動峰值加速度為0.15g，結構最大周期為6 s。

反應譜法只考慮了地震動的振幅和頻譜特性，計算簡單。所以，只能得到結構的最大反應，不能反映結構反應隨時間變化的關系。

1.2 時程分析法[7]

本文時程分析時，采用非線性分析，選用人工地震波，選取前20 s作為分析時間，分析時間步長為0.1 s，結構振型的阻尼比為0.05。時程分析法考慮了地震動的振幅、頻譜特性和持續時間三個要素，能夠較客觀的反映地震對結構的影響。

2 簡支梁橋地震反應實例

2.1 工程概況

工程為雙幅式公路大橋，總長320 m，橋梁凈寬度為9.6 m，由12跨加2個橋頭組成，單跨長25 m，橋梁最高為60 m，橋梁上部構造為25 m后張預應力混凝土T梁，25 m T梁預制梁高1.75 m，半幅橋每孔布置4片T梁。

本橋取左幅5跨～7跨為研究對象，橋墩墩身采用兩種不同的形式：矩形薄壁空心墩和實心墩，橫截面均采用3 m×5 m的形式，承臺為6.7 m×6.7 m的橫截面形式。

2.2 高墩結構動力特性

使用反應譜法，振型組合類型為SRSS，采用多重Ritz向量法進行60階模態分析。5號墩為40 m，6號墩60 m，7號墩50 m，取結構前10階模態。

1)薄壁空心墩的自振特性如表1所示。

表1 結構的自振特性(一)

結構的前60階振型，X，Y，Z三個方向平動的振型參與質量分別是 99.53 %,98.84%,97.74%，滿足規范上振型參與質量達到總質量90%以上的要求。從表1中可以看出，振型1是順橋向的第一階振型，振型周期為2.021 s。振型2是橫橋向第一階振型，振型周期為1.572 s。

2)實心墩的自振特性如表2所示。

表2 結構的自振特性(二)

結構的前60階振型，X，Y，Z三個方向平動的振型參與質量分別是 99.1%，98.77%，98.07%，滿足規范上振型參與質量達到總質量90%以上的要求。從表2中可以看出，振型1是順橋向的第一階振型，振型周期為2.047 s。振型2是橫橋向第一階振型，振型周期為1.560 s。

自振周期的大小是橋梁結構整體剛度的直接表現。從表1,表2中可以看出，墩型的變化對于結構的自振周期和頻率變化不大，均不大于8%，說明在樁基剛度足夠時，這兩種墩型對于結構分析結果影響不大。但是薄壁空心墩相對實心墩，墩柱增加的自重較小，從工程經濟方面說，這能夠很好的減輕工程的造價成本。

2.3 時程內力分析

使用非線性時程分析法，對墩高5號40 m，6號60 m，7號50 m的薄壁空心墩和實心墩進行抗震分析，選用人工地震波運算，得到高墩墩底內力，見表3。

表3 高墩地震作用下的墩底內力

表4 矮墩地震作用下的墩底內力

使用非線性時程分析法，對墩高5號8 m，6號12 m，7號10 m的薄壁空心墩和實心墩進行抗震分析，選用人工地震波運算，得到矮墩墩底內力，見表4。

由表3，表4可以看出：隨著墩高的增加薄壁空心墩與實心墩在軸力、剪力和彎矩的差值相對越來越大。就剪力而言，在墩高較低時，薄壁空心墩的剪力相對實心墩的剪力相差較小。隨著墩高的增加，實心墩的剪力相對薄壁空心墩的剪力增加的較快。這主要是由于在相同墩高時，實心墩的本身重量就較大于薄壁空心墩，隨著墩高的增加，這兩種墩型自重的差量越來越大，而自重的增加會使橋墩在地震作用下產生較大的剪力，使得墩底的總剪力增加。剪力的增加，也使得上部結構所傳遞的剪力對墩底彎矩的影響越來越大。

3 結語

通過本文的分析，可以得到如下結論：

1)隨著墩高的增加，結構會變柔。

2)在墩高相同，樁基剛度足夠大時，薄壁空心墩和實心墩的自振周期和頻率相差不大。

3)薄壁空心墩和實心墩相比較，隨著墩高的增加內力變化相對較慢。薄壁空心墩在墩底產生的內力較小，有利于墩底的穩定，而且所用材料較少，能夠有效的減少工程造價。

4)在模態分析中，各振型最大振幅位置基本集中在墩底固結處，墩頂等部位。在抗震設計中應注意這些截面的延性設計，使該處出現塑性鉸后能夠滿足變形的要求。

5)通過非線性分析，矮墩的地震反應比高墩的小，一般墩越矮，反應越小。簡支橋各墩之間的耦聯反應很小，呈單墩反應。因此，墩越高地震反應越大。

[1] JTG B02—01—2008，公路橋梁抗震設計細則[S].

[2] 王克海.橋梁抗震研究[M].北京：中國鐵道出版社，2014：8-33.

[3] 許 楠.中-小跨徑連續梁橋地震響應分析[D].西安：長安大學，2014.

[4] 朱文正.公路橋梁減、抗震防落梁系統研究[D].西安：長安大學，2004.

[5] 葉愛君，管仲國.橋梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011：22-26.

[6] 柳春光.橋梁結構地震響應與抗震性能分析[M].北京：中國建筑工業出版社，2009：61-63.

[7] Der Kiureghian A,Neuenhofer A.Response spectrum method for multi-support seismic excitations[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics，1992(21):713-740.

The impact on the seismic performanceof pier height simply supported beam bridge analysis

Wang Xin Bai Haifeng

(College of Civil Engineering and Safety, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

The paper is located in a highly seismic region high bridge pier example for analysis. And builds bridge calculation model to study the high pier simple bridge in highly seismic action when different types of piers produce impact to pier bottom moment and use response spectrum analysis and nonlinear time history analysis to study different height piers, the analysis shows a simply supported beam bridge with high piers overall showing flexible structural features, the pier at the end of a high intensity earthquake has a greater moment. With the increase of high pier, solid pier overall moment relatively thin-walled hollow pier increased rapidly.

simply supported beam bridge, response spectrum analysis, time history analysis, seismic performance

1009-6825(2016)12-0137-02

2016-02-18

王 欣(1987- )，男，在讀碩士

U441.3

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