主線橋?qū)π“霃角€匝道橋地震響應(yīng)影響與簡(jiǎn)化分析模型

胡松明 鄭志均 劉 朵 管仲國(guó)

（1.同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司交通科學(xué)研究院，南京 211112；3.杭州市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 310001）

0 引 言

地震災(zāi)害可以造成嚴(yán)重的人員傷亡和基礎(chǔ)設(shè)施的破壞，城市立交橋作為重要的交通樞紐和生命線工程，在地震中如果遭受破壞，將嚴(yán)重制約搶險(xiǎn)救災(zāi)的進(jìn)度。城市立交橋常設(shè)置小半徑曲線匝道，其受力情況復(fù)雜，在地震作用下屬于整個(gè)立交系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)［1］。

對(duì)于立交匝道橋的抗震性能研究，常將其從立交系統(tǒng)中分離出來(lái)，建立獨(dú)立的動(dòng)力分析模型進(jìn)行分析［2-9］。這樣處理雖然操作簡(jiǎn)潔，但小半徑曲線匝道屬于非規(guī)則橋梁，和主線橋的動(dòng)力特性差異較大，在動(dòng)載作用下兩者的運(yùn)動(dòng)也并非相互獨(dú)立，并且相對(duì)于主線橋來(lái)說(shuō)，匝道橋的質(zhì)量要小很多，因此受主線橋的影響也會(huì)較大。在復(fù)雜立交橋地震響應(yīng)分析中，可通過(guò)建立典型子結(jié)構(gòu)計(jì)算地震響應(yīng)從而對(duì)整體抗震性能進(jìn)行評(píng)估［10-11］。為了準(zhǔn)確分析小半徑曲線匝道橋在地震作用下的響應(yīng)，必須建立考慮主線橋的影響的動(dòng)力分析模型。

本文基于Sap2000有限元分析軟件，建立了考慮主線橋影響的不同模型，分析了設(shè)置不同類型支座體系小半徑匝道橋與主線橋的動(dòng)力相互作用。在此基礎(chǔ)上，提出了考慮主線橋影響的匝道橋簡(jiǎn)化模型，與完整模型對(duì)比具有較好的精度。

1 工程背景

1.1 模型概況

本文選取寧波廣元立交橋主線橋以及一條小半徑環(huán)形匝道建立分析模型，匝道橋半徑55 m，跨徑組合為3×24 m+3×24 m+3×24 m，主線橋與匝道橋交匯變寬段跨徑組合為2×35 m+45 m+2×35 m，主線橋標(biāo)準(zhǔn)段為一聯(lián)3×30 m的連續(xù)梁。主線橋和匝道橋上部結(jié)構(gòu)為C50混凝土現(xiàn)澆箱梁，參數(shù)見(jiàn)表1；主線橋下部結(jié)構(gòu)為矩形雙柱墩，截面尺寸為1.8 m×1.8 m，匝道橋下部結(jié)構(gòu)為直徑2 m的圓截面獨(dú)柱墩；匝道橋通過(guò)交匯處主線橋墩墩頂蓋梁和主線橋進(jìn)行連接，蓋梁截面尺寸為2.5 m×2.5 m；主線橋X墩高24.5 m，主線橋Y墩高30.5 m，匝道橋墩高由24.5 m（1號(hào)墩）到30.5 m（10號(hào)墩）線性變化；兩主線橋主梁及橋墩截面相同。常規(guī)體系主線橋和匝道橋設(shè)置盆式支座，減隔震體系設(shè)置板式橡膠支座，具體工況見(jiàn)下文。利用m法求出樁基剛度，用彈簧進(jìn)行各方向剛度的模擬。模型詳細(xì)信息見(jiàn)圖1。

表1 截面特性Table 1 Section properties

利用Sap2000有限元分析軟件建立動(dòng)力分析模型，用Frame單元模擬主梁、蓋梁和橋墩，用Link單元模擬盆式支座和板式橡膠支座，用Body多點(diǎn)束縛模擬模型中剛性連接，用三質(zhì)點(diǎn)模擬承臺(tái)，如圖1所示，承臺(tái)質(zhì)量加在中間質(zhì)點(diǎn)上，上部質(zhì)點(diǎn)和墩底剛性連接，下部質(zhì)點(diǎn)連接樁基，用節(jié)點(diǎn)六彈簧模擬樁基各向剛度。

圖1 模型信息Fig.1 Model information

1.2 地震動(dòng)輸入

所選復(fù)雜立交位于Ⅳ類場(chǎng)地，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度為0.10 g，橋梁抗震設(shè)防分類為乙類，地震特征周期在為0.65 s。本文旨在探究主線橋?qū)π“霃皆训赖卣痦憫?yīng)的影響，為避開(kāi)配筋強(qiáng)度等材料非線性要素的影響，利用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成人工地震波進(jìn)行線性時(shí)程反應(yīng)分析，地震波及設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 地震動(dòng)信息Fig.2 Ground motion information

2 主線橋影響分析

2.1 盆式支座體系

主線橋和匝道橋均設(shè)置盆式支座，匝道通過(guò)蓋梁和主線橋連接，連接處匝道主梁沿主線橋順橋向可自由滑動(dòng)，沿主線橋橫橋向則有約束。建立單獨(dú)的匝道模型，以及包含不同聯(lián)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)梁段的考慮主線橋影響的匝道模型，模型工況見(jiàn)表2?？紤]主線橋影響后，匝道橋的動(dòng)力特性有了顯著變化：匝道橋縱向滑動(dòng)的振型，由于在交互處無(wú)約束，所以周期頻率變化不大；橫橋向由于主線橋質(zhì)量的影響，相比單獨(dú)匝道模型，考慮主線橋影響后，橫向周期增幅可達(dá)15%左右。

表2 模型工況Table 2 Model cases

所建立的橋梁動(dòng)力分析模型主要區(qū)別在于主線橋中包含的標(biāo)準(zhǔn)連續(xù)梁段數(shù)目不同，通過(guò)線性時(shí)程分析，對(duì)比在同一條地震波輸入的情況下，各模型中匝道橋墩的響應(yīng)，從而確定主線橋?qū)υ训罉虻挠绊?。為了突出主線橋的作用，地震動(dòng)分別沿全局X、Y方向，即主線橋軸線方向輸入，匝道橋內(nèi)力響應(yīng)見(jiàn)圖3、圖4。由圖3（a）可以看出，地震動(dòng)沿X軸方向輸入時(shí)，對(duì)比模型1，模型2、3中主線橋Y產(chǎn)生橫橋向的位移，10號(hào)墩受其影響，切向彎矩都有增長(zhǎng)，模型3增幅達(dá)145%，這說(shuō)明在進(jìn)行小半徑曲線匝道橋地震響應(yīng)分析時(shí)，主線橋的影響不可忽略。同時(shí)可以看出，遠(yuǎn)離主線橋Y的橋墩，模型2、3切向彎矩增長(zhǎng)不明顯，靠近主線橋Y的6、9號(hào)墩，切向彎矩都有明顯增長(zhǎng)，而1號(hào)墩由于和主線橋X連接，橫向剛度增加，切向彎矩不增反減。

圖3 墩底最大彎矩（輸入方向X）Fig.3 Maximum moment at pier bottom（input direction X）

圖4 墩頂最大位移（輸入方向X）Fig.4 Maximum displacement at pier top（input direction X）

為了進(jìn)一步研究增加主線橋長(zhǎng)度后，主線橋?qū)υ训理憫?yīng)影響是否有變化，對(duì)比模型3—6的內(nèi)力響應(yīng)結(jié)果。由圖3（b）可以看出，在X方向輸入地震動(dòng)下，模型3—6匝道橋的墩底最大切向彎矩十分接近，說(shuō)明匝道橋的地震響應(yīng)不會(huì)因?yàn)橹骶€橋長(zhǎng)度增加而一直增大，而是存在一個(gè)極限值。顯然模型3—6皆能準(zhǔn)確反映主線橋?qū)υ训罉虻卣痦憫?yīng)的影響，其中模型6規(guī)模最小，僅在匝道和主線連接處兩側(cè)取一聯(lián)邊界聯(lián)。由圖3（c）可以看出，X方向輸入時(shí)，對(duì)比模型1，模型2、3中墩底法向彎矩變化較切向彎矩不明顯，6號(hào)墩處模型3法向彎矩增幅49%。由圖3（d）可以看出模型3—6匝道橋的墩底最大法向彎矩也十分接近。

使用盆式支座時(shí)，主線橋?qū)υ训罉虻挠绊懼饕w現(xiàn)在蓋梁處的橫向約束。匝道主梁在蓋梁處橫向固定，一方面增加了匝道橋該處的橫向剛度，另一方面主線橋主梁地震作用下巨大的橫橋向慣性力也會(huì)通過(guò)該連接處傳向匝道橋橋墩。前者會(huì)減小匝道橋橋墩的響應(yīng)，后者則會(huì)增加響應(yīng)值，所以在圖3（a）中，X方向輸入導(dǎo)致主線橋Y有整體的橫向位移，10號(hào)墩受到來(lái)自主線橋Y的巨大慣性力，這種影響遠(yuǎn)大于剛度增加的影響，導(dǎo)致10號(hào)墩的切向彎矩猛增；X方向輸入導(dǎo)致主線橋X有整體的縱向位移，而與主線橋X連接的1號(hào)墩縱向滑動(dòng)，慣性力沒(méi)有輸入，橫向剛度增大對(duì)其內(nèi)力影響作用較明顯，所以此時(shí)1號(hào)墩切向彎矩不增反減。Y方向輸入時(shí)也可得到相似的規(guī)律。

對(duì)于匝道橋位移響應(yīng)，以固定墩3號(hào)墩為例，給出不同模型在同一地震波作用下的墩頂由切向位移和法向位移組合的最大位移，如圖4所示。由圖4可知，考慮主線橋影響后，匝道橋固定墩的位移響應(yīng)由顯著增加。

2.2 橡膠支座體系

將匝道橋盆式支座換為GYZd250圓形板式橡膠支座，將主線橋橋盆式支座換為GYZd450圓形板式橡膠支座，模型仍編號(hào)為1—6。進(jìn)行線性時(shí)程分析，匝道橋橋墩部分響應(yīng)見(jiàn)圖5。

圖5 墩底最大彎矩（輸入方向X）Fig.5 Maximum moment at pier bottom（input direction X）

由圖7（a）可以看出，在X方向地震動(dòng)輸入下，模型5靠近主線橋Y的10號(hào)墩切向彎矩較模型1增幅為52%，其他各墩最大切向彎矩均十分接近。由圖7（b）可以看出，模型5靠近主線橋X的1號(hào)墩法向彎矩較模型1有明顯增加，增幅達(dá)74%，而其他墩最大法向彎矩之間差距不大。這主要是因?yàn)樵O(shè)置橡膠支座后，主線橋在蓋梁處縱向和橫向都有約束，主梁縱向位移帶來(lái)的慣性力也能傳入到匝道橋中，所以在考慮主線橋影響后匝道1號(hào)墩的法向彎矩會(huì)有激增；而主線橋的橡膠支座自身在地震作用下的變形耗能降低了主線橋上部結(jié)構(gòu)慣性力的傳遞，所以其他橋墩的地震響應(yīng)在考慮主線橋影響下變化不大。在這種情況下，如果不考慮1號(hào)墩、10號(hào)墩，主線橋?qū)υ训罉虻挠绊懣梢院雎浴?/p>

采用兩種不同類型支座體系的主要區(qū)別在于主線橋的慣性力向匝道橋的傳遞。采用盆式支座的體系，主線橋的慣性力可以橫向傳入匝道橋，而縱向由于不約束滑動(dòng)無(wú)法傳入，所以在交匯處匝道橋有很大慣性力；配置橡膠支座后，主線橋慣性力可以沿縱向和橫向輸入，但由于支座的變形耗能，輸入的慣性力降低很多，對(duì)匝道橋的影響也減弱，僅限交匯處的匝道橋墩內(nèi)力有明顯增加。

3 簡(jiǎn)化分析模型

由前文分析可知，主線橋?qū)υ训罉虻挠绊懼饕w現(xiàn)在邊界條件和地震作用下其自身巨大的慣性力兩個(gè)方面，基于這一點(diǎn)，對(duì)已有的模型6進(jìn)一步簡(jiǎn)化。蓋梁是實(shí)現(xiàn)邊界條件的媒介，并且提供一部分慣性力，主線橋的慣性力來(lái)自其質(zhì)量。主線橋?yàn)槌Ｒ?guī)體系時(shí)，保留蓋梁以及其下部橋墩，作為匝道橋的邊界條件。根據(jù)前文，主線橋?qū)υ训罉虻挠绊戵w現(xiàn)在橫橋向，為了準(zhǔn)確模擬蓋梁的真實(shí)受力情況，在蓋梁上施加橫橋向和豎向的點(diǎn)質(zhì)量M，計(jì)算方法如下：

m1、m2分別為蓋梁兩側(cè)一跨主梁的質(zhì)量，該簡(jiǎn)化方法適用于盆式支座，蓋梁處主線橋和匝道橋在順橋向無(wú)約束，橫橋向有約束且主線橋兩側(cè)主梁截面形式分別保持不變的情況。蓋梁加質(zhì)量后的簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖6。

圖6 簡(jiǎn)化模型Fig.6 Simplified model

圖6中箭頭為原主線橋支座所在位置，每個(gè)箭頭處在各自主線橋橫橋向和豎向施加M/2的點(diǎn)質(zhì)量。用相同的地震波對(duì)匝道-蓋梁-集中質(zhì)量模型進(jìn)行地震響應(yīng)分析，得到的部分結(jié)果（與X方向夾角40°地震動(dòng)輸入）和模型6的對(duì)比見(jiàn)表3?？梢钥闯觯瑑蓚€(gè)模型的地震內(nèi)力響應(yīng)相近，說(shuō)明該模型滿足本文的分析要求。

表3 彎矩對(duì)比Table 3 Comparison of bending moment kN·m

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立考慮主線橋影響的常規(guī)體系和減隔震體系小半徑曲線匝道橋模型并進(jìn)行線性時(shí)程分析，得出以下結(jié)論：

（1）主線橋?yàn)槌Ｒ?guī)體系時(shí)，分析小半徑曲線匝道橋地震響應(yīng)考慮主線橋的影響十分有必要，在建立模型時(shí)，在匝道與主線交匯處向左右各取一聯(lián)主線橋即可準(zhǔn)確模擬主線橋的影響。

（2）主線橋設(shè)置橡膠支座時(shí)，主線橋上部結(jié)構(gòu)的慣性力不能完全傳入匝道橋下部結(jié)構(gòu)，影響有限，可不考慮主線橋影響進(jìn)行建模分析。

（3）本文針對(duì)主線橋?yàn)槌Ｒ?guī)體系提出的簡(jiǎn)化分析模型，考慮了匝道橋的真實(shí)邊界條件和蓋梁的真實(shí)受力情況，分析結(jié)果顯示該模型簡(jiǎn)潔有效。

（4）進(jìn)一步研究結(jié)果顯示地震輸入方向沿主線橋軸線方向時(shí)，這種影響最為顯著，由于篇幅限制不進(jìn)行詳細(xì)介紹。