曲率半徑對曲線連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能影響的研究

孫 杰

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070）

曲率半徑對曲線連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能影響的研究

孫 杰

（中國建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100070）

以曲線連續(xù)剛構(gòu)橋為例，運用橋梁專業(yè)有限元分析軟件MIDAS Civil建立有限元模型進(jìn)行仿真分析，探討該橋樁-土相互作用的模擬，對比分析了不同曲率半徑對結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)的影響。相關(guān)結(jié)論可為橋梁設(shè)計提供技術(shù)支持，也可供橋梁抗震概念設(shè)計參考。

曲線連續(xù)剛構(gòu)橋；曲率半徑；地震響應(yīng)；自振特性；抗震設(shè)計

1 工程概況

該橋為某高速公路上的大型橋梁，為曲線連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑組合為（50+90+50）m，曲率半徑為1 000 m。主橋橋墩由兩片薄壁墩構(gòu)成，為矩形截面，高度分別為65.00 m和53.00 m。薄壁墩及其系梁用C40混凝土，基礎(chǔ)用C30混凝土。地震基本烈度7度，按8度設(shè)防。有限元分析模型主要采用梁單元、剛性單元和彈簧單元。主梁、橋墩、承臺和樁基用梁單元模擬，樁-土相互作用則使用節(jié)點彈性約束模擬，橋墩與主梁、樁基與承臺之間使用剛性連接。為對比下部基礎(chǔ)的計算模式對結(jié)構(gòu)動力性質(zhì)的影響，分別按墩底固結(jié)和考慮樁土相互作用進(jìn)行計算。采用土彈簧模擬樁-土的相互作用。樁基承受各種荷載作用后會產(chǎn)生位移而壓縮土體，進(jìn)而土體對樁基有了抗力，因?qū)⑼馏w變形假設(shè)為彈性，這里采用E.Winkler的土抗力與其壓縮量成正比的假設(shè)，則土層水平抗力可定義為

式中：σx為單位面積土層的水平抗力，kPa；X為樁在深度z的水平位移；Cz為樁周土的地基水平向抗力系數(shù)，kPa/m。

輸入地震波采用E1 Centro波南北分量，并根據(jù)場地類型的加速度峰值進(jìn)行了調(diào)幅處理。由于曲線橋結(jié)構(gòu)受力的復(fù)雜性，假定地震波按照本文所定義的縱向和橫向分別輸入，不考慮結(jié)構(gòu)的多點激勵及輸入方向的影響。調(diào)整后的El Centro波時程曲線如圖1所示。

2 曲率半徑影響分析

為了探討曲率半徑對結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應(yīng)影響，分別建立六種模型進(jìn)行分析，即：R=1 000 m、R=800 m、R=500 m，每種情況分別考慮墩底固結(jié)和樁-土相互作用。

圖1　El Centro波加速度時程曲線

2.1自振特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力分析和抗震設(shè)計的重要參數(shù)，一般情況下結(jié)構(gòu)前若干階自振頻率和振型在抗震計算時起控制作用，因此，本文給出橋梁結(jié)構(gòu)的前10階動力特性，8個模型下曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性分析結(jié)果如表1和表2所示。

表1　不同曲率半徑結(jié)構(gòu)的動力特性對比（墩底固結(jié)）

表2　不同曲率半徑結(jié)構(gòu)的動力特性對比（考慮樁土）

從表1-2可以看出：

（1）在前十階振型中，隨著曲率半徑的增加，無論考慮樁土相互作用與否，曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的振動型式并沒有發(fā)生改變，說明曲率半徑對結(jié)構(gòu)的振動型式影響不顯著。

（2）與墩底固結(jié)模型相比，考慮樁土作用后，結(jié)構(gòu)一階振型由縱飄變?yōu)?#墩橫彎，說明考慮樁土作用后，結(jié)構(gòu)的橫向剛度較小。這主要是樁土作用影響了結(jié)構(gòu)的剛度分配，導(dǎo)致了振型的變化。

（3）隨著曲率半徑的減小，對于墩底固結(jié)和考慮樁土相互作用模型，結(jié)構(gòu)的頻率逐漸增大，這主要是由于曲率半徑的減小增大了結(jié)構(gòu)的整體剛度。3.2 地震響應(yīng)分析

結(jié)構(gòu)在縱向、橫向激勵作用下，各模型墩底內(nèi)力和墩頂位移隨曲率半徑變化的結(jié)果如圖2～圖9所示。

圖2　1#墩底彎矩變化圖

圖3　1#墩底剪力變化圖

由上圖結(jié)果可以得出：在縱、橫橋向地震作用激勵下，結(jié)構(gòu)曲率半徑的逐漸減小后，各橋墩的彎矩、剪力和墩頂位移都有不同程度的減小，但扭矩有所增大。說明在一定曲率半徑內(nèi)，曲率半徑越小，其抗震性能越好，但隨著半徑越小，橋梁彎曲程度越明顯，則彎扭耦合效應(yīng)會愈加顯著，這樣不利于結(jié)構(gòu)受力。

圖4　1#墩底扭矩變化圖

圖5　1#墩頂位移變化圖

圖6　2#墩底彎矩變化圖

圖7　2#墩底剪力變化圖

圖8　2#墩底扭矩變化圖

圖9　2#墩頂位移變化圖

因此，針對曲線橋的抗震設(shè)計，必須充分考慮該橋的彎扭耦合效應(yīng)，在滿足截面抗彎剛度要求時，盡可能的增加截面的抗扭剛度，使彎扭剛度比降低，以降低彎扭耦合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力的不利影響。

4 結(jié) 論

（1）隨著結(jié)構(gòu)曲率半徑的變小，其自振頻率逐漸變大，主要是因為曲率半徑的減小增大了結(jié)構(gòu)整體剛度。

（2）曲線連續(xù)剛構(gòu)橋在墩底固結(jié)情況下前2階振型分別為：縱飄和高墩橫彎，考慮樁土作用后分別為：高墩橫彎和縱飄。說明考慮樁土作用后會使結(jié)構(gòu)的橫向剛度減小，改變結(jié)構(gòu)振動型式。

（3）曲率半徑越小，其抗震性能越好，但隨著半徑越小，結(jié)構(gòu)的彎扭耦合效應(yīng)會愈加顯著，這樣不利于結(jié)構(gòu)受力。建議在滿足截面抗彎剛度要求時，盡可能的增加截面的抗扭剛度，使彎扭剛度比降低，以降低彎扭耦合效應(yīng)對結(jié)構(gòu)受力的不利影響。

［1］ 蘭燕.橋墩造型及其抗震性能研究［D］.西安：長安大學(xué)，2005.

［2］ 宋一凡.公路橋梁動力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［3］ 重慶交通科研設(shè)計院.公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則（JTG/ T B02-01-2008）.北京：人民交通出版社，2008.

U441

C

1008-3383（2016）09-0088-02

2016-07-22

孫杰（1987-），男，江蘇鹽城人，助理工程師，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)計算分析與施工技術(shù)管理。