橫向地震作用對(duì)匝道曲線橋梁地震響應(yīng)的影響分析

羅彥 劉鑫

摘要：文章以某匝道連續(xù)梁橋?yàn)槔贠penSees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(yīng)，對(duì)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(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，分析了橫向地震作用對(duì)該匝道曲線連續(xù)梁橋地震響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明：橫向地震作用對(duì)匝道曲線連續(xù)梁橋地震響應(yīng)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(yīng)顯著增大，主梁徑向地震響應(yīng)的改變率可達(dá)到49.9%;在匝道曲線連續(xù)梁橋抗震性能分析時(shí)應(yīng)該同時(shí)考慮縱橫向雙向地震作用，只考慮單向地震作用將嚴(yán)重低估橋梁的抗震需求。

關(guān)鍵詞：曲線梁橋;橫向地震;非線性地震響應(yīng);彎扭耦合

0 引言

匝道曲線梁橋由于具有良好的地形適應(yīng)性，在高速公路和城市立交中都得到了廣泛的應(yīng)用，是連接不同高程道路線路之間的常見橋型[1]。同時(shí)，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(yán)重的不規(guī)則性[2]。在地震作用下，這種空間不規(guī)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(fù)雜，因而在地震中更容易發(fā)生嚴(yán)重的破壞。通過研究地震作用下匝道曲線梁橋的地震響應(yīng)和破壞機(jī)理能夠?yàn)槠淇拐鹪O(shè)計(jì)和抗震性能分析提供指導(dǎo)，對(duì)于保證橋梁系統(tǒng)的防震減災(zāi)能力具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外眾多學(xué)者都對(duì)匝道曲線梁橋的抗震性能進(jìn)行了研究。陳彥江等[3]以某匝道曲線梁橋?yàn)槔ㄟ^振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)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(yīng)。張子政[4]通過數(shù)值分析研究了地震作用下杭州市蕭山區(qū)工人路匝道橋的地震倒塌機(jī)理。焦馳宇等[5]以汶川地震中的某匝道曲線梁橋?yàn)槔接懥诵“霃角€梁橋的損傷模擬方法，通過數(shù)值模擬研究了FPS支座對(duì)小半徑匝道曲線梁橋的減震效果。龔強(qiáng)[6]以汶川地震中回瀾立交匝道連續(xù)梁橋?yàn)槔ㄟ^OpenSees軟件建立了考慮彎剪效應(yīng)的橋梁，分析了地震作用下地震反應(yīng)特征，結(jié)果表明地震作用下支座基本都會(huì)發(fā)生滑移破壞，與橋梁實(shí)際震害基本一致。

綜合以往研究可以發(fā)現(xiàn)，目前匝道曲線梁橋地震響應(yīng)分析時(shí)很多都采用縱向或橫向上的單一方向地震激勵(lì)，而且研究大多針對(duì)平面曲線梁橋。為了彌補(bǔ)上述研究中的不足，本文將以某匝道連續(xù)梁橋?yàn)槔ㄟ^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(yīng)和支座的滑移等因素，研究橫向地震作用對(duì)匝道曲線梁橋地震響應(yīng)的影響。

1 橋梁概況及動(dòng)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(jìn)行研究。該匝道橋梁中心樁號(hào)為XHK0+225.000，起點(diǎn)樁號(hào)為XHK0+152.300，終點(diǎn)樁號(hào)為XHK0+297.700，橋梁全長145.4m，橋?qū)?.5m。全橋上部共兩聯(lián)，第一聯(lián)為4×20m普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，第二聯(lián)為3×20m普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用寶瓶式墩，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.5m，0#臺(tái)、7#臺(tái)均為墻式橋臺(tái)，橋臺(tái)基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖紙，基于OpenSees軟件建立橋梁三維非線性動(dòng)力分析模型。主梁采用單梁模型進(jìn)行建模，地震作用下主梁很少發(fā)生塑性變形，因此采用基于彈性梁-柱單元進(jìn)行模擬。由于曲線半徑和縱向坡度的存在，主梁各個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)較難確定，這里首先采用Midas軟件建立橋梁動(dòng)力分析模擬，再導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)而在OpenSees軟件中建立節(jié)點(diǎn)。橋墩采用基于力的非線性梁柱單元（ForcebasedBeamcolumnElement，F(xiàn)BE）進(jìn)行模擬，通過纖維截面考慮橋墩的非線性變形。同時(shí)，通過將纖維單元和剪切彈簧串聯(lián)的方式考慮橋墩的彎-剪耦合效應(yīng)。5#墩和1#墩上布置盆式固定支座，其余各個(gè)橋墩和橋臺(tái)上均布置雙四氟滑板支座，地震作用下支座最容易發(fā)生嚴(yán)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(jìn)行模擬。橋臺(tái)的模擬參考Caltran中的規(guī)定[7]，通過理想彈塑性單元進(jìn)行模擬，同時(shí)通過串聯(lián)Gap單元考慮伸縮縫處主梁和橋臺(tái)的碰撞效應(yīng)。

2 地震記錄選取

橋梁抗震設(shè)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(shè)計(jì)細(xì)則》[8]給出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，從PEER選擇天然地震記錄。所選地震動(dòng)反應(yīng)譜與目標(biāo)譜的匹配程度采用均方誤差MSE來衡量，MSE按照式（1）進(jìn)行計(jì)算：

所選地震動(dòng)記錄來自于1999年臺(tái)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(shí)程如圖2所示，地震動(dòng)反應(yīng)譜與目標(biāo)譜匹配情況如圖3所示。從圖3中可以看到，所選地震動(dòng)的東西向水平分量反應(yīng)譜與目標(biāo)譜具有較好的一致性，東西向水平地震分量是地震動(dòng)的強(qiáng)度較大的分量，是地震動(dòng)的主方向，因此當(dāng)只考慮地震動(dòng)的縱向和橫向輸入時(shí)均以東-西向分量作為地震輸入;同時(shí)考慮縱向和橫向雙向地震激勵(lì)時(shí)，將東西向分量作為縱向激勵(lì)，南北向分量作為橫向激勵(lì)。

3 橋梁非線性地震響應(yīng)分析

將第二節(jié)中所選地震動(dòng)記錄分別作用于該橋梁非線性動(dòng)力分析模擬，通過NewMark方法對(duì)橋梁非線性地震響應(yīng)進(jìn)行求解，從而得到橋梁結(jié)構(gòu)非線性地震響應(yīng)。計(jì)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(guī)則，這里定義0#橋臺(tái)所在的方向?yàn)闄M橋向，與0#橋臺(tái)的方向垂直的方向?yàn)榭v橋向。

圖4中以6#墩墩頂?shù)闹髁汗?jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)的徑向位移地震響應(yīng)。由于在地震動(dòng)開始階段和結(jié)束階段，地震動(dòng)強(qiáng)度較小，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)也并不是很明顯，因此這里僅給出了從10s到50s時(shí)間段內(nèi)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。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(jié)點(diǎn)徑向位移峰值達(dá)到了352.7mm，而縱向地震作用下，主梁節(jié)點(diǎn)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(yīng)峰值要遠(yuǎn)大于縱向地震作用或者橫向地震作用下主梁節(jié)點(diǎn)的地震響應(yīng)峰值。而且，從圖3中還可以看到，在縱向地震作用下，橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)基本都還在0值附近，并沒有發(fā)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(jié)構(gòu)都發(fā)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(yīng)的峰值和殘余變形都要遠(yuǎn)大于僅考慮橫向地震作用下的結(jié)果。由此說明橫向地震作用對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)具有非常顯著的影響，當(dāng)考慮橫向地震作用后，橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)顯著增大。這進(jìn)一步說明，在匝道曲線梁橋抗震性能分析時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮雙向地震作用的結(jié)果。僅考慮縱向或者橫向地震作用時(shí)，將會(huì)嚴(yán)重低估橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，從而對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震效應(yīng)產(chǎn)生誤判。