曲線梁橋抗震研究綜述

姜葉子

(西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院 陜西 西安 710055) (西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710055)

一、引言

進(jìn)入2l世紀(jì)，我國(guó)城市化進(jìn)程加快，越來(lái)越多的人口和財(cái)富集聚于城市中。同時(shí)由于自然或人為災(zāi)害的破壞，城市處于災(zāi)害的高發(fā)期。地震作為一種主要的災(zāi)害形式，其發(fā)生往往造成城市功能的癱瘓和生命財(cái)產(chǎn)的損失。城市道橋系統(tǒng)作為生命線系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)維系城市的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用。國(guó)內(nèi)外多次震害經(jīng)驗(yàn)表明，城市道橋系統(tǒng)在地震作用下是易損的，并且相較于道路，橋梁在地震作用下更容易發(fā)生嚴(yán)重破壞或是毀滅性的破壞。

曲線梁橋能很好的克服地形、地物的限制，滿足路線整體線性的連續(xù)性，建筑上具有平順、流暢的線條，因此在國(guó)內(nèi)外城市高架、立交橋梁工程中得到了很廣泛的應(yīng)用。然而，相較于直線梁橋，曲線梁橋自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得其在地震作用下的破壞更為嚴(yán)重。因此開展曲線梁橋抗震研究工作是十分必要的。

二、曲線梁橋簡(jiǎn)化計(jì)算方法

姚玲森[1]考慮了曲線梁橋彎扭耦合作用，推導(dǎo)計(jì)算出多梁并列式曲線梁橋各主梁荷載橫向分布影響線的計(jì)算公式，從而可以計(jì)算主梁和橫梁的各項(xiàng)內(nèi)力。

張羅溪等[2]首次采用數(shù)值分析的方法分析預(yù)應(yīng)力曲線連續(xù)梁橋，并開發(fā)了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序軟件輔以計(jì)算，大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間。編制了預(yù)應(yīng)力混凝土曲線連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)分析程序，可以使曲線箱型梁橋的計(jì)算得到簡(jiǎn)化。

王解軍等[3]采用有線條法和柔度法相結(jié)合來(lái)計(jì)算多跨連續(xù)曲線梁橋，相比較有限元法減少了數(shù)據(jù)輸入。

黃劍源[4]和任茶仙[5]以曲線格子梁理論為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了空間薄壁曲線梁的單元?jiǎng)偠染仃嚨牡刃Ч?jié)點(diǎn)力算式，建立七個(gè)自由度的單元?jiǎng)偠染仃嚕瑫r(shí)將預(yù)應(yīng)力換算成等代的空間荷載，為剛度法分析空間結(jié)構(gòu)問題提供了理論基礎(chǔ)。

高曉安等[6]系統(tǒng)總結(jié)和分析了CQC3方法、SRSS3方法以及SRSS方法和百分比方法的近似計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)一座曲線橋梁進(jìn)行多向地震反應(yīng)分析，得出CQC3方法的正確性，對(duì)于重要結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性地震效應(yīng)，應(yīng)采用該方法分析。

三、曲線梁橋地震反應(yīng)分析研究

Tseng等[7]在1971年美國(guó)San Fernando地震后，采用數(shù)學(xué)模型模擬方法，建立了能考慮碰撞、屈服的伸縮縫力學(xué)模型，通過(guò)自編的三維非線性動(dòng)力分析程序，率先對(duì)長(zhǎng)大公路連續(xù)曲線梁橋進(jìn)行了非線性地震反應(yīng)分析。

Godden[8]使用振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)研究了大跨度橋梁的抗震性能，通過(guò)微粒混凝土建立了真比例模型和變形模型，對(duì)一座單排柱承重的多空長(zhǎng)跨混凝土公路橋進(jìn)行地震分析，得出該類型的曲線公路橋在伸縮縫處和柱基處容易產(chǎn)生破壞。

李國(guó)豪[9]最早從有限元模擬角度對(duì)曲線梁橋的地震響應(yīng)進(jìn)行了探討。他采用曲線坐標(biāo)系，推導(dǎo)了考慮約束扭轉(zhuǎn)的影響、每節(jié)點(diǎn)具有八個(gè)自由度的曲線梁?jiǎn)卧岸諉卧膭偠染仃嚕⑼ㄟ^(guò)一座三跨連續(xù)曲梁橋算例，驗(yàn)證了該模型的正確性。

黃明非[10]通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化的單跨曲線模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，研究了曲線橋在地震作用下的面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理。其中，重點(diǎn)研究了最不利地震作用方向，將導(dǎo)致橋面板發(fā)生最大轉(zhuǎn)動(dòng)的地震輸入方向定義為最不利地震作用方向。

王麗等[11]將城市橋梁簡(jiǎn)化為支撐在多個(gè)彈性支座上的具有剛度偏心的簡(jiǎn)單曲線梁橋模型，給出了地震反應(yīng)的簡(jiǎn)化分析方法，系統(tǒng)地總結(jié)和分析了各種因素對(duì)曲線橋梁動(dòng)力反應(yīng)的影響規(guī)律。

王俊彥[12]以某輕軌工程中3×25的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲線梁橋?yàn)槔捎脮r(shí)程分析方法，研究不同曲率半徑及地震輸入角度對(duì)曲線梁橋響應(yīng)的影響。

四、曲線梁橋最不利地震動(dòng)輸入方向研究

方詩(shī)圣等[13]對(duì)曲線梁橋最不利地震的輸入方向進(jìn)行了研究，分別考慮了水平和豎向地震單獨(dú)作用下，橋梁的反應(yīng)，以及水平豎向地震組合作用下，橋梁的最不利地震輸入方向。

滕軍等[14]通過(guò)對(duì)深圳某立交橋中一聯(lián)三跨高墩小半徑曲線梁橋?yàn)楸尘敖⒖臻g有限元模型，進(jìn)行地震作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析得出：1.墩高對(duì)高墩小半徑曲線梁橋動(dòng)力特性的影響較大，曲率半徑變化影響則不大；2.多遇地震下，曲率半徑對(duì)梁體扭矩的影響較大，對(duì)梁體其他內(nèi)力及墩的地震影響不大，墩高變化對(duì)梁體和墩的地震響應(yīng)影響均很大；3.高墩小半徑曲線梁橋最不利輸入角度不因曲率半徑和墩高的變化而變化，可將支座中心連線方向和平面內(nèi)與之垂直的方向作為最不利的地震輸入角度。

陳興沖等[15]以某城市立交工程曲線匝道橋?yàn)楸尘埃M(jìn)行有限元模型的建立，重點(diǎn)分析了曲率半徑對(duì)動(dòng)力特性以及最不利輸入方向的影響。其中，采用了兩種地震反應(yīng)譜輸入的方法：一種是從0°至180°間隔為10°繞Z軸輸入地震反應(yīng)譜；另一種是分別沿相鄰方向和垂直于連線水平方向進(jìn)行多方向地震動(dòng)輸入。通過(guò)計(jì)算得出兩種方法所獲得的結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)值及最不利輸入角度結(jié)果基本一致。

張俊杰等[16]利用Bresler建議的屈服函數(shù)形式，建立了地震動(dòng)最不利輸入方向的標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)反應(yīng)譜方法來(lái)計(jì)算截面內(nèi)力，并按SQSS法進(jìn)行組合，從而確定最不利方向和內(nèi)力最大值。

全偉等[17]以三跨高墩曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎昧嘶谛〔ㄗ儞Q的方法生成擬合規(guī)范三維反應(yīng)譜的人工地震動(dòng)。為簡(jiǎn)化起見，只考慮了兩個(gè)水平地震動(dòng)分量同時(shí)作用的情況，采用傳統(tǒng)方法從0°到180°間隔為10°遞增進(jìn)行地震動(dòng)輸入，求得的墩頂切向位移和徑向位移最不利輸入角度。

五、曲線梁橋地震易損性研究

Shirazi[18]對(duì)加州區(qū)域內(nèi)常見的曲線箱梁橋進(jìn)行了易損性分析，考慮幾何、材料等不確定性，獲得算了所統(tǒng)計(jì)的具有不同圓心角的5類樣本的易損性曲線，表明橋墩、支座及橋臺(tái)位移的響應(yīng)取決于圓心角大小，而且橋墩易損性最大，系統(tǒng)易損性隨圓心角增加而增加。

趙美揚(yáng)[19]分別基于纖維模型、彈簧-桿系模型建立了曲線橋梁的非線性有限元模型和簡(jiǎn)化模型，通過(guò)數(shù)值模擬分析了曲線梁橋的地震響應(yīng)，并基于簡(jiǎn)化模型，采用墩頂位移延性系數(shù)作為損傷指標(biāo)對(duì)曲線橋梁的易損性進(jìn)行了研究。

李煜錳[20]結(jié)合福州市曲線梁橋的調(diào)查與文獻(xiàn)的整理，選出了具有代表性的基準(zhǔn)橋，并采用SAP2000建立了空間有限元分析模型。在此基礎(chǔ)上，采用增量動(dòng)力分析方法，對(duì)曲線梁橋進(jìn)行了地震易損性研究，并分析曲率半徑、墩高及支座的布置方式的變化對(duì)結(jié)構(gòu)易損性的影響。

楊斌[21]采用短直梁以直代曲的方法建立了曲線梁橋有限元模型，分別計(jì)算了構(gòu)件在單向和雙向地震激勵(lì)下的易損性曲線，并以橋梁系統(tǒng)易損性為指標(biāo)，找出了使曲線橋受力最不利、整體破壞概率最高的地震輸入角度。

殷超[22]以某一曲線匝道梁橋?yàn)槔ㄟ^(guò)MIDAS/Civil有限元軟件中的梁格法，建立了該橋的有限元模型，并進(jìn)行了反應(yīng)譜分析和非線性動(dòng)力時(shí)程分析，根據(jù)結(jié)果建立了結(jié)構(gòu)反應(yīng)概率函數(shù)，計(jì)算了不同強(qiáng)度地震作用下的超越概率，并分析了曲率半徑、墩柱高度對(duì)曲線梁橋易損性的影響。

六、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)本文對(duì)曲線梁橋抗震研究的綜述，可以認(rèn)為，自1971年美國(guó)San Fernando地震之后，國(guó)內(nèi)外對(duì)曲線梁橋的抗震研究已經(jīng)較為成熟，并且在簡(jiǎn)化計(jì)算方法、地震反應(yīng)分析、最不利地震動(dòng)輸入方向、地震易損性方面都取得了諸多成果。但是曲線梁橋大多都是作為匝道橋用于城市立交橋工程中，一般較少地出現(xiàn)單座的曲梁橋，而城市立交橋作為交通系統(tǒng)的重要樞紐，具有極其重要的作用。因此，從目前的曲線梁橋抗震分析擴(kuò)展到整體立交橋的抗震分析應(yīng)是今后的研究重點(diǎn)。