不同分聯(lián)形式對(duì)山區(qū)不規(guī)則梁橋抗震性能的影響

狄秉臻

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷推進(jìn)，在西部山區(qū)修建了越來(lái)越多的高速公路橋梁。因經(jīng)濟(jì)性、施工周期等因素，主梁形式為T梁、小箱梁的梁橋仍占有很大比例。山區(qū)地勢(shì)起伏不定，但受限于截面形式，T梁橋或小箱梁橋的跨徑不大，一般在50 m以下，因此其難以一跨越過(guò)山溝坡地。這樣就導(dǎo)致需要在溝底及附近位置設(shè)置橋墩，同時(shí)也造就了山區(qū)梁橋的特點(diǎn)之一：最大墩高較大，各墩之間高差大。同時(shí)西部山區(qū)橋梁另一個(gè)特點(diǎn)是處于地震頻發(fā)區(qū)。我國(guó)地震呈“東弱西強(qiáng)”分布，在西部地區(qū)，7級(jí)及以上的強(qiáng)震發(fā)生的概率也較大，比如2008年的汶川地震，2013年的雅安地震[1]。因此山區(qū)橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)，必須重視其抗震性能。

結(jié)合上述西部山區(qū)橋梁的兩個(gè)特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)支或短聯(lián)形式時(shí)，就會(huì)面臨以下幾種問(wèn)題：(1)落梁的可能性大[2]。汶川地震中，廟子坪大橋、百花大橋和高原大橋等均發(fā)生落梁。在發(fā)生落梁后，因搶修難度大，交通一時(shí)難以恢復(fù)，會(huì)嚴(yán)重阻滯震后救援的進(jìn)行。(2)整體性差，自振頻率低。各跨之間不能協(xié)同抗震，且橋梁結(jié)構(gòu)頻率低、周期長(zhǎng)，在地震作用下，會(huì)導(dǎo)致過(guò)大的變形，此時(shí)位移代替強(qiáng)度成為控制指標(biāo)[3]。(3)伸縮縫數(shù)量多。有研究表明，伸縮縫兩端梁體相互碰撞，是導(dǎo)致落梁的主要原因之一，輕則也會(huì)造成兩端混凝土破碎[4]。(3)地震作用下，各墩之間內(nèi)力分布不均[5]。在截面相同時(shí)，高墩相對(duì)矮墩剛度小，矮墩過(guò)大的剛度會(huì)導(dǎo)致其承擔(dān)較大的內(nèi)力，這樣顯然是不利的。當(dāng)采用長(zhǎng)聯(lián)形式時(shí)，上述問(wèn)題理論上可得到改善，因此本文對(duì)比了長(zhǎng)短聯(lián)形式下橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，以提出更適合于山區(qū)橋梁的分聯(lián)形式。

1 模型參數(shù)

使用MIDAS/CIVIL軟件建立了6×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋模型，如圖1所示。改變墩高參數(shù)和分聯(lián)形式進(jìn)行了E1反應(yīng)譜分析。

模型中1#墩為最高墩，5#墩為最低墩，墩高依次遞減，具體墩高布置見(jiàn)表1。按照相鄰墩高差的不同，分為1-1、1-2、1-3三組，各組墩高差逐漸增大，由5 m增大到10 m再到20 m。與此同時(shí)，最大墩高也在一次增加。模型1-1整體墩高相對(duì)較矮，模型1-3整體墩高最高，模型1-2介于兩者之間。每組模型采用了兩種分聯(lián)形式：6跨一聯(lián)和2×3跨一聯(lián)。6跨一聯(lián)在橋臺(tái)處設(shè)置滑板支座，橋墩上設(shè)置等剛度板式支座。2×3跨一聯(lián)在3#墩上設(shè)置滑板支座，其余支座布置同6跨一聯(lián)。

圖1 有限元模型

表1 各模型墩高參數(shù)

全橋?yàn)?孔40 m跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)T梁，每孔由5片T梁組成，T梁梁高2.5 m。橋墩為等截面獨(dú)柱矩形空心墩，橫橋向長(zhǎng)4.5 m，縱橋向長(zhǎng)3 m。T梁采用C50混凝土，墩身、蓋梁采用C40混凝土。橋臺(tái)處布置聚四氟乙烯滑板支座，各橋墩處布置5個(gè)板式橡膠支座，剪切剛度2 896 kN/m。橋梁抗震設(shè)防類別屬于B類，橋址處地震動(dòng)峰值加速度0.20g，特征周期0.35 s，場(chǎng)地類型為II類。

2 長(zhǎng)短聯(lián)動(dòng)力特性對(duì)比

長(zhǎng)短聯(lián)形式下，不同模型的前5階自振頻率見(jiàn)表2。模型1-1長(zhǎng)聯(lián)形式下的的一階頻率為0.440 Hz，是短聯(lián)一階頻率(0.282 Hz)的1.56倍。在高階頻率上，長(zhǎng)聯(lián)更是顯著大于短聯(lián)：長(zhǎng)聯(lián)下模型1-1的第5階自振頻率是短聯(lián)的3.15倍。類似的模型1-2和模型1-3也均是長(zhǎng)聯(lián)頻率大于短聯(lián)。模型1-2與模型1-3的長(zhǎng)聯(lián)一階頻率分別是相應(yīng)短聯(lián)形式的1.59倍和1.65倍。自振頻率大意味著橋梁結(jié)構(gòu)周期短，剛度大，有利于改善山區(qū)橋梁自振頻率低、結(jié)構(gòu)柔、變形大的問(wèn)題。究其原因在于采用長(zhǎng)聯(lián)形式時(shí)，左側(cè)高墩一聯(lián)與右側(cè)矮墩一聯(lián)相互串聯(lián)在一起，矮墩短聯(lián)在一定程度上彌補(bǔ)了高墩短聯(lián)剛度過(guò)小的缺點(diǎn)，因而基頻較短聯(lián)形式有所增加。值得說(shuō)明的是，從模型1-1到模型1-3，長(zhǎng)聯(lián)與短聯(lián)一階頻率的倍數(shù)關(guān)系逐漸增大，從此可以看出，當(dāng)墩高越大時(shí)，采用長(zhǎng)聯(lián)對(duì)提升橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的作用越明顯。

表2 不同模型前5階自振頻率

長(zhǎng)聯(lián)和短聯(lián)首次出現(xiàn)的面外和面內(nèi)振型見(jiàn)表3。長(zhǎng)聯(lián)最先出現(xiàn)的面外振型為主梁橫向彎曲，而短聯(lián)則是主梁橫向平轉(zhuǎn)。這是因?yàn)槎搪?lián)形式下，在3#中間墩上布置的是聚四氟乙烯滑板支座，無(wú)法對(duì)上部主梁結(jié)構(gòu)形成有效約束。長(zhǎng)聯(lián)下首次出現(xiàn)的面內(nèi)振型是橋墩縱向彎曲，相比之下，短聯(lián)只在高墩一側(cè)發(fā)生縱向彎曲。由此不難看出，短聯(lián)橋梁較長(zhǎng)聯(lián)橋梁整體性差，這是不利于橋梁結(jié)構(gòu)抗震的。

3 墩底內(nèi)力對(duì)比

在地震作用下，梁橋橋墩的內(nèi)力最大位置在墩底處，因而墩底截面受力為最不利。本小節(jié)主要對(duì)比了長(zhǎng)短聯(lián)形式下墩底的剪力和彎矩。

各組模型在不同的分聯(lián)形式下的墩底剪力如圖2～圖4所示。在兩種分聯(lián)形式下，橋墩墩底縱橋向剪力總體都表現(xiàn)為矮墩大，高墩小，即矮墩承受了較大的剪力，是高墩縱橋向剪力值的1～2倍。與短聯(lián)橋梁相比，長(zhǎng)聯(lián)橋梁在1#和2#高墩上，長(zhǎng)聯(lián)墩底縱向剪力更小。與此相反的是，在4#和5#矮墩上，長(zhǎng)聯(lián)墩底縱向剪力較大。在3#墩處，長(zhǎng)短聯(lián)墩底縱橋向剪力相差不多。造成上述現(xiàn)象的原因是長(zhǎng)聯(lián)橋梁將左側(cè)高墩部分與右側(cè)矮墩部分連接起來(lái)后，矮墩區(qū)因其剛度大，上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量引起的剪力更多地向矮墩集中。

墩底橫向剪力在各墩之間分布規(guī)律不是很明顯。采用長(zhǎng)聯(lián)時(shí)，墩底橫向剪力基本符合“矮墩大，高墩小”這一規(guī)律。但在采用短聯(lián)時(shí)，最大墩底橫向剪力值出現(xiàn)的位置不定。多數(shù)橋墩在采用短聯(lián)時(shí)橫向剪力更大，但在最矮的5#墩處恰恰相反，長(zhǎng)聯(lián)下其墩底橫向剪力更大，在模型1-2中，長(zhǎng)聯(lián)比短聯(lián)橫向剪力大了24 %。

圖2 地震作用下模型1-1墩底縱橫向剪力

圖3 地震作用下模型1-2墩底縱橫向剪力

圖4 地震作用下模型1-3墩底縱橫向剪力

不同模型在不同分聯(lián)形式下的墩底彎矩如圖5～圖7所示。從圖5可以看出，模型1-1作為I類橋梁中整體墩高最矮的一組，在兩種分聯(lián)形式下，墩底縱橋向彎矩相差不多。在1#和2#兩個(gè)相對(duì)較高墩處，長(zhǎng)聯(lián)形式的墩底縱橋向彎矩比短聯(lián)形式減小了約2 000 kN·m，相對(duì)減少了12 %。模型1-2和模型1-3的高墩墩底縱向彎矩分別減少了23 %和35 %。值得注意的是，模型1-3的4#墩底縱向彎矩較短聯(lián)增加了27 %，這是因?yàn)樯喜拷Y(jié)構(gòu)傳遞到4#墩的剪力較大，即使其不是最高墩，力臂不是最長(zhǎng)，最終墩底縱向彎矩反而最大。

一般情況下，長(zhǎng)聯(lián)橋梁的墩底橫向彎矩要小于短聯(lián)橋梁，特別是在2#墩處，短聯(lián)下其墩底橫向彎矩最大值均出現(xiàn)在2#墩處，其彎矩值是長(zhǎng)聯(lián)的1.5倍。長(zhǎng)聯(lián)形式下5#墩和1#墩底橫向彎矩有可能略大于短聯(lián)，但相差不大。同時(shí)對(duì)比墩底縱向彎矩，采用短聯(lián)時(shí)，墩底縱向、橫向彎矩最大值均出現(xiàn)在2#墩處。相比于1#墩，2#雖然較矮，只看橋墩時(shí)，地震作用下彎矩小于高墩，但2#墩相對(duì)剛度大，分配的水平力更大，綜合起來(lái)反而墩底彎矩更大。5#墩因其墩身最矮，高度只有10 m，所以其自身質(zhì)量小，再加上水平力臂短，導(dǎo)致地震作用下彎矩最小。整體上看，相對(duì)于長(zhǎng)聯(lián)，采用短聯(lián)時(shí)，墩底橫向彎矩分布更加不均。

圖5 地震作用下模型1-1墩底縱橫向彎矩

圖6 地震作用下模型1-2墩底縱橫向剪力

圖7 地震作用下模型1-3墩底縱橫向剪力

4 結(jié)論

為了提高山區(qū)橋梁的抗震性能，本文分析對(duì)比了長(zhǎng)聯(lián)和短聯(lián)兩種分聯(lián)形式對(duì)橋梁地震響應(yīng)的影響，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)長(zhǎng)聯(lián)形式下橋梁結(jié)構(gòu)的基頻要大于短聯(lián)形式，在高階頻率上這一現(xiàn)象更加明顯。

(2)采用長(zhǎng)聯(lián)形式，會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)整體性更好，有利于各墩之間協(xié)同抗震，比短聯(lián)形式更具優(yōu)勢(shì)。

(3)地震作用下，長(zhǎng)聯(lián)橋梁的縱向和橫向剪力表現(xiàn)為矮墩大，高墩小。短聯(lián)橋梁的縱向剪力分布也符合上述規(guī)律，但橫向剪力分布規(guī)律不明顯。

(4)長(zhǎng)聯(lián)形式下的墩底最大縱向和橫向彎矩要小于短聯(lián)形式，且相比于短聯(lián)，墩底彎矩分布更為均勻。

綜上所述，針對(duì)山區(qū)橋梁所具有的兩點(diǎn)特征，采用長(zhǎng)聯(lián)形式能提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能，減小地震響應(yīng)，相比采用短聯(lián)更加有利。