橫向地震作用對匝道曲線橋梁地震響應的影響分析

羅彥 劉鑫

摘要：文章以某匝道連續梁橋為例，基于OpenSees軟件建立了該橋梁空間三維非線性有限元分析模型，充分考慮地震作用下橋墩、支座的非線性和主梁的彎扭耦合效應，對比研究了只考慮縱向地震作用、橫向地震作用和縱-橫向雙向地震作用下橋梁結構的地震響應，分析了橫向地震作用對該匝道曲線連續梁橋地震響應的影響。分析結果表明：橫向地震作用對匝道曲線連續梁橋地震響應的影響非常顯著，與只考慮縱向地震作用相比，縱-橫向雙向地震作用下橋梁的地震響應顯著增大，主梁徑向地震響應的改變率可達到49.9%;在匝道曲線連續梁橋抗震性能分析時應該同時考慮縱橫向雙向地震作用，只考慮單向地震作用將嚴重低估橋梁的抗震需求。

關鍵詞：曲線梁橋;橫向地震;非線性地震響應;彎扭耦合

0 引言

匝道曲線梁橋由于具有良好的地形適應性，在高速公路和城市立交中都得到了廣泛的應用，是連接不同高程道路線路之間的常見橋型[1]。同時，由于橋梁兩端的高程差的存在使得這種匝道曲線梁橋不僅在平面上是曲線形狀，而且在立面上也存在較大的縱坡，造成了橋梁在空間上嚴重的不規則性[2]。在地震作用下，這種空間不規則性使得匝道曲線梁橋的受力特性比相同跨徑的直橋和平面曲線梁橋都要更為復雜，因而在地震中更容易發生嚴重的破壞。通過研究地震作用下匝道曲線梁橋的地震響應和破壞機理能夠為其抗震設計和抗震性能分析提供指導，對于保證橋梁系統的防震減災能力具有重要意義。

近年來，國內外眾多學者都對匝道曲線梁橋的抗震性能進行了研究。陳彥江等[3]以某匝道曲線梁橋為例，通過振動臺實驗研究了縱向、橫向以及縱向+橫向地震作用下橋梁的地震響應。張子政[4]通過數值分析研究了地震作用下杭州市蕭山區工人路匝道橋的地震倒塌機理。焦馳宇等[5]以汶川地震中的某匝道曲線梁橋為例，探討了小半徑曲線梁橋的損傷模擬方法，通過數值模擬研究了FPS支座對小半徑匝道曲線梁橋的減震效果。龔強[6]以汶川地震中回瀾立交匝道連續梁橋為例，通過OpenSees軟件建立了考慮彎剪效應的橋梁，分析了地震作用下地震反應特征，結果表明地震作用下支座基本都會發生滑移破壞，與橋梁實際震害基本一致。

綜合以往研究可以發現，目前匝道曲線梁橋地震響應分析時很多都采用縱向或橫向上的單一方向地震激勵，而且研究大多針對平面曲線梁橋。為了彌補上述研究中的不足，本文將以某匝道連續梁橋為例，通過OpenSee軟件建立橋梁三維非線性有限元模型，充分考慮地震作用下橋墩的彎-剪耦合效應和支座的滑移等因素，研究橫向地震作用對匝道曲線梁橋地震響應的影響。

1 橋梁概況及動力分析模型建立

本文以南寧市鳳嶺北路-廂竹大道立交XH匝道為例進行研究。該匝道橋梁中心樁號為XHK0+225.000，起點樁號為XHK0+152.300，終點樁號為XHK0+297.700，橋梁全長145.4m，橋寬8.5m。全橋上部共兩聯，第一聯為4×20m普通鋼筋混凝土連續箱梁，第二聯為3×20m普通鋼筋混凝土連續箱梁。下部結構橋墩采用寶瓶式墩，基礎采用鉆孔灌注樁基礎，樁徑為1.5m，0#臺、7#臺均為墻式橋臺，橋臺基礎為鉆孔灌注樁基礎。橋梁結構示意圖如圖1所示。

根據橋梁設計圖紙，基于OpenSees軟件建立橋梁三維非線性動力分析模型。主梁采用單梁模型進行建模，地震作用下主梁很少發生塑性變形，因此采用基于彈性梁-柱單元進行模擬。由于曲線半徑和縱向坡度的存在，主梁各個節點的坐標較難確定，這里首先采用Midas軟件建立橋梁動力分析模擬，再導出節點坐標，進而在OpenSees軟件中建立節點。橋墩采用基于力的非線性梁柱單元（ForcebasedBeamcolumnElement，FBE）進行模擬，通過纖維截面考慮橋墩的非線性變形。同時，通過將纖維單元和剪切彈簧串聯的方式考慮橋墩的彎-剪耦合效應。5#墩和1#墩上布置盆式固定支座，其余各個橋墩和橋臺上均布置雙四氟滑板支座，地震作用下支座最容易發生嚴重的損傷，因此這里采用基于理想彈塑性材料的零長度單元進行模擬。橋臺的模擬參考Caltran中的規定[7]，通過理想彈塑性單元進行模擬，同時通過串聯Gap單元考慮伸縮縫處主梁和橋臺的碰撞效應。

2 地震記錄選取

橋梁抗震設防烈度為Ⅷ度，場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。以《公路橋梁抗震設計細則》[8]給出的設計反應譜作為目標譜，從PEER選擇天然地震記錄。所選地震動反應譜與目標譜的匹配程度采用均方誤差MSE來衡量，MSE按照式（1）進行計算：

所選地震動記錄來自于1999年臺灣“921”集集地震的CHY010測站，地震記錄的東-西向和南-北向的加速度時程如圖2所示，地震動反應譜與目標譜匹配情況如圖3所示。從圖3中可以看到，所選地震動的東西向水平分量反應譜與目標譜具有較好的一致性，東西向水平地震分量是地震動的強度較大的分量，是地震動的主方向，因此當只考慮地震動的縱向和橫向輸入時均以東-西向分量作為地震輸入;同時考慮縱向和橫向雙向地震激勵時，將東西向分量作為縱向激勵，南北向分量作為橫向激勵。

3 橋梁非線性地震響應分析

將第二節中所選地震動記錄分別作用于該橋梁非線性動力分析模擬，通過NewMark方法對橋梁非線性地震響應進行求解，從而得到橋梁結構非線性地震響應。計算工況這里分別考慮縱向地震輸入、橫向地震輸入以及縱向+橫向雙向地震輸入。由于該算例橋梁平面形狀的不規則，這里定義0#橋臺所在的方向為橫橋向，與0#橋臺的方向垂直的方向為縱橋向。

圖4中以6#墩墩頂的主梁節點為例，分別給出了縱向地震作用、橫向地震作用和縱-橫向雙向地震作用下主梁節點的徑向位移地震響應。由于在地震動開始階段和結束階段，地震動強度較小，結構的反應也并不是很明顯，因此這里僅給出了從10s到50s時間段內結構的地震響應。從圖4中可以看到，在縱向和橫向雙向地震作用下，6#墩墩頂上的主梁節點徑向位移峰值達到了352.7mm，而縱向地震作用下，主梁節點徑向位移僅為235.3mm，與后者相比，縱向和橫向雙向地震作用下比其增大了49.9%，縱向和橫向雙向地震作用下橋梁的地震響應峰值要遠大于縱向地震作用或者橫向地震作用下主梁節點的地震響應峰值。而且，從圖3中還可以看到，在縱向地震作用下，橋梁結構地震響應基本都還在0值附近，并沒有發生較為明顯的塑性損傷變形，然而在橫向和縱向加橫向雙向地震作用下，橋梁結構都發生了顯著的塑性變形，并且縱向和橫向雙向地震作用下，橋梁地震響應的峰值和殘余變形都要遠大于僅考慮橫向地震作用下的結果。由此說明橫向地震作用對橋梁結構的地震響應具有非常顯著的影響，當考慮橫向地震作用后，橋梁結構的地震響應顯著增大。這進一步說明，在匝道曲線梁橋抗震性能分析時應當充分考慮雙向地震作用的結果。僅考慮縱向或者橫向地震作用時，將會嚴重低估橋梁結構的地震響應，從而對結構的抗震效應產生誤判。