設(shè)縫雙肢墩曲線剛構(gòu)橋抗震性能研究★

趙怡彬 唐必剛 鐘 衛(wèi)

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004; 2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410000)

1 概述

為了實現(xiàn)線路的轉(zhuǎn)向，匝道橋上一般需要采用曲線橋梁，并且由于城市空間的限制，曲率半徑越來越小，目前曲線橋梁的最小半徑僅為25 m，為武漢新火車站站前高架橋東匝道橋[1,2]。曲線橋梁主要采用連續(xù)梁和剛構(gòu)橋形式，但小半徑曲線梁橋普遍存在箱梁橫移、主梁扭轉(zhuǎn)、爬移及結(jié)構(gòu)抗震性能差等安全問題[3]；曲線剛構(gòu)橋橋形優(yōu)美，施工方便，受力性能良好，但縱向變形對結(jié)構(gòu)影響較大。為適應(yīng)剛構(gòu)橋主梁溫度變形、混凝土收縮徐變等引起的縱向位移，需采用水平抗推剛度較小的柔性墩，常見的有整體墩和雙肢墩這兩種下構(gòu)形式[4]：雙肢墩可用于上部結(jié)構(gòu)跨徑較大，墩身較矮的情況，但其墩身及其基礎(chǔ)占用空間較大，結(jié)構(gòu)布置較為復(fù)雜，造價較高，如虎門大橋輔航道橋的雙肢墩間距為9 m；整體墩結(jié)構(gòu)簡約，造型美觀，但因剛度較大，不適用于矮墩的情況。

為兼顧墩身的輕巧美觀和縱向抗推柔度，中南林業(yè)科技大學(xué)王解軍教授提出了一種可適用于矮墩的設(shè)縫雙肢墩，并開展了一系列的靜力研究[5-8]。設(shè)縫雙肢墩外形與整體墩保持一致，但墩身從墩頂至墩底設(shè)置一道約5 cm寬的橫縫，形成雙肢墩，縫內(nèi)填充彈性橡膠板，如圖1所示。

國內(nèi)對整體式橋墩和常規(guī)雙肢墩的抗震性能開展了較多的研究，指出了配箍率、剪跨比、截面形式等對橋墩的抗震性能有較大的影響[9-11]，但鮮少見到關(guān)于這種新型設(shè)縫雙肢墩的動力特性和抗震性能評估的文獻(xiàn)。

本文將以某擬建公路橋梁為例，采用ANSYS軟件，建立有限元模型，考察采用設(shè)縫雙肢墩的曲線剛構(gòu)橋的動力特性，并與常規(guī)的曲線梁橋、采用整體墩的曲線剛構(gòu)橋、采用雙肢墩的曲線剛構(gòu)橋進(jìn)行比較，以評估其抗震性能。

2 工程概況

某擬建公路橋梁位于云南省。該橋位于圓曲線上，路線中心線半徑R=70 m，橋梁中心跨徑L=25 m。上部結(jié)構(gòu)采用普通鋼筋混凝土箱梁，梁寬8.7 m，梁高1.8 m，具體構(gòu)造如圖2，圖3所示；0號及3號橋臺均采用重力式U形橋臺，1號、2號橋墩墩高為10.0 m，墩梁固結(jié)。橋址處地震動峰值加速度為0.20g，特征周期為0.40 s，相應(yīng)的地震基本烈度為8度。

3 橋梁模型簡介

本文采用大型通用有限元軟件ANSYS，建立有限元模型：根據(jù)擬建橋梁的實際構(gòu)造模擬上部結(jié)構(gòu)；0號橋臺及3號橋臺用鉸支座模擬；墩身截面分別采用設(shè)縫雙肢墩(見圖4a))、連續(xù)梁整體墩(見圖4b))、墩梁固結(jié)的整體墩(見圖4c))、常規(guī)雙肢墩(見圖4d))，承臺底固結(jié)。共建立4組模型，如圖5a)～圖5d)所示。主梁、橋墩、承臺均采用Solid45單元模擬，每個模型單元數(shù)接近8萬個。

4 計算結(jié)果分析

4.1 動力特性結(jié)果

本文采用ANSYS中提供的子空間法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析。子空間法采用子空間迭代技術(shù)和廣義的Jacobi迭代算法。該方法采用完整的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣，因而具有較高的計算精度，較適合大型結(jié)構(gòu)的動力特性分析。

經(jīng)過ANSYS計算，當(dāng)采用不同橋墩形式時，橋梁成橋狀態(tài)下前10階基本振型和自振周期如表1，圖6所示。

表1 四種橋墩形式結(jié)構(gòu)前10階自振頻率及振型特征

從表1,圖6可以看出，4組有限元模型的前10階振型中，前2階振型均是橋墩的變形，后8階振型為主梁的彎曲或扭轉(zhuǎn)變形，雖然橋墩參與的階次少，但主要出現(xiàn)在低階振型中，振型參與系數(shù)達(dá)到60%，這也說明類似橋梁結(jié)構(gòu)中，在地震作用下，橋墩是最為薄弱的構(gòu)件，橋墩的側(cè)向彎曲、剪切失效是地震作用下橋墩最為常見的破壞形式。設(shè)縫雙肢墩與雙肢墩剛構(gòu)橋前10階振型基本一致，頻率值較為接近，可見二者的結(jié)構(gòu)剛度比較接近，因而抵抗地震作用的能力也較為接近。從表1，圖6中還可以看出，在低階振型中，整體墩連續(xù)梁、設(shè)縫雙肢墩剛構(gòu)橋、雙肢墩剛構(gòu)橋、獨柱墩剛構(gòu)橋自振頻率依次增大，說明橋墩的剛度逐漸增大，設(shè)縫雙肢墩與常規(guī)雙肢墩剛度相當(dāng)，都具有較好的柔性，而整體墩的剛度最大。

4.2 地震加速度反應(yīng)譜分析結(jié)果

據(jù)GB 18306—2015中國地震烈度區(qū)劃圖，項目所在地(云南省)場址50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.2g，地震動反應(yīng)譜特征周期Tg為0.4 s，對應(yīng)地震基本烈度為8度。本項目屬于C類橋梁，E1地震作用下抗震重要性系數(shù)Ci為0.34，場地系數(shù)Cs取1.0，阻尼比ξ取0.05，阻尼比調(diào)整系數(shù)Cd取1.0。按規(guī)范[12]E1地震作用的反應(yīng)譜曲線如圖7所示，4種橋梁形式在E1地震作用下橋墩的應(yīng)力云圖如圖8所示。

從圖8可以看出，E1地震作用下，各類橋梁墩身的應(yīng)力最大值多出現(xiàn)在墩底截面，墩身中部應(yīng)力較小。提取墩底剪力及墩頂位移進(jìn)行進(jìn)一步的研究，如圖9所示。

從圖9中可看出整體墩剛構(gòu)橋的墩底剪力最大，因此地震作用下整體墩較易發(fā)生剪切脆性破壞。連續(xù)梁橋的1號橋墩 和2號橋墩墩底剪力相差較大，這是因為1號墩頂設(shè)置了固定支座，2號墩頂設(shè)置滑動支座，因此1號橋墩受力明顯大于2號橋墩。連續(xù)梁的墩底剪力略小，但墩頂發(fā)生一定的縱向位移后主梁易產(chǎn)生落梁破壞，因此需考慮地震作用的曲線橋梁不推薦采用連續(xù)梁橋。設(shè)縫雙肢墩剛構(gòu)橋及常規(guī)雙肢墩剛構(gòu)橋的1號、2號橋墩受力比較均衡，且剪力值較整體墩約減小29%，因此地震作用下，設(shè)縫雙肢墩和常規(guī)雙肢墩性能較好。考慮到設(shè)縫雙肢墩外形美觀、施工方便等優(yōu)點，設(shè)縫雙肢墩是一種可適用于曲線剛構(gòu)橋，并且抗震性能優(yōu)異的橋墩形式。

5 結(jié)論

通過比較4種采用不同橋墩形式的曲線橋梁(設(shè)縫雙肢墩剛構(gòu)橋、整體墩連續(xù)梁橋、整體墩剛構(gòu)橋、常規(guī)雙肢墩剛構(gòu)橋)的動力特性和地震作用下的剪力、位移，得到以下結(jié)論：

1)4種曲線橋梁的低階振型均表現(xiàn)為橋墩的變形，因此橋墩是橋梁抗震的關(guān)鍵節(jié)點，需著重考慮。

2)設(shè)縫雙肢墩的動力特性(自振頻率、振型)與常規(guī)雙肢墩比較接近，因此設(shè)縫雙肢墩的剛度與常規(guī)雙肢墩較接近，也具有較好的柔性。

3)在E1地震作用下，4種橋梁模型中，設(shè)縫雙肢墩和常規(guī)雙肢墩的墩底剪力比較均衡，受力比較合理，并結(jié)合設(shè)縫雙肢墩布置簡單、施工方便的優(yōu)點，因此設(shè)縫雙肢墩是一種抗震性能較好，可用于曲線剛構(gòu)橋的新型橋墩形式。