高墩大跨連續剛構橋的動力特性及抗震性能分析

鄒小兵

（中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧沈陽 110136）

1 工程概況

某大跨連續剛構橋跨徑組合（65+108+65）m（圖1），上部分結構運用單式箱梁截面，支點處高度約6 m，跨中位置截面高度約2 m，其縱向梁高度必須根據再次拋物線變化而實施相應改變，下部結構運用雙薄壁墩。上部結構使用C50 混凝土，橋墩使用C40 混凝土，樁基及承臺使用C25 混凝土。通過Ansys 軟件構建出相應的仿真模型。

圖1 大跨連續剛構橋總體布局

2 高墩大跨連續剛構橋的地震災害分析

在地震災害的影響下，高墩大跨連續剛構橋受到破壞的部位為墩頂與主梁結合位置及墩底，下端結構與基礎結構受到重度破壞作為引發橋梁發生倒塌并在地震影響下無法及時修復的關鍵因素。

根據相關文獻，下端結構的破壞方式為剪切破壞、彎剪破壞和彎曲破壞三類。彎曲破壞指的是結構彎曲承載力比剪切破壞承載力低，結構強度通過抗彎功能對破壞發揮控制作用。此類破壞方式一般能夠避免地震中橋梁受到倒塌破壞。彎剪破壞是因彎曲損傷引發的剪切強度降低，最終通過剪切破壞方式達成極限狀態，是非常脆性的一種破壞。剪切破壞指的是結構彎曲的承載力比剪切破壞承載力高，由剪切強度破壞方式對結構強度實施控制，破壞時將斜方向剪力裂縫為主，此為比較脆性的一種破壞，在地震發生時，此類破壞方式很常見，也是橋墩受到致命破壞的關鍵因素。

3 基礎理論分析

3.1 橋梁的沖擊系數

基于橋梁結構層面而言，移動式荷載在該結構通過時產生的動力效應即為沖擊作用，實際上，沖擊系數是結構最大動態效應與靜態最大效應的總和：

式中：Ydmax是當荷載車輛通過橋梁時，橋梁最大的動態效應；Yjmax是相同車輛荷載過橋時，橋梁最大靜力效應。

3.2 國內與國外規范計算沖擊系數的方法

（1）美國所有構件全部處于斷裂狀態及疲勞狀態體現為：IM=0.15；橋面接縫部位處于極限狀態體現為：IM=0.75；其他狀態體現為：IM=0.33。

（2）加拿大沖擊系數與車輛本身軸數有關。

（3）英國荷載車輛的沖擊效應體現為25%；以公式表達是：I=，其中L 是跨徑。

（4）我國JTG D60—2015 設計路橋通用的規范：沖擊系數為相關結構的基頻f 函數：

3.3 不平整的路面程度

導致橋面不平整的主要因素是橋梁實際平面和預期平面發生了偏離變化。目前針對橋面出現的隨機性較大情況，在對車橋耦合振動的分析過程中，先要明確橋面情況不同的理論數值模型，而后對其實施定量分析。本文選用三角級數數疊加法對橋面的平整度實施模擬，即通過離散譜靠近目標的隨機性流程模型。根據相關理念，在分析不平整橋面樣本的同時需根據式3 表述。

式中：R（x）作為橋面的不平整樣本（m）；k 需要服從［0，2π］在隨機相位均勻分布；N 作為采樣的頻段數；S（Ωk）作為離散空間頻率（cycle/m）；ΔΩ 作為空間皮頻率的間隔寬帶（cy-cle/m）。

相關調查研究表明：我國公路的橋面譜通常處在三級范圍以內，即A、B、C。對A、B、C 橋面不平順的隨機狀況實施模擬，見圖2。

圖2 A、B、C 級橋面的平整度曲線

4 結構的振動頻率

為了分析結構頻率的變化規律，重點分析2 個敏感參數，即曲率半徑與墩高，并制定15 座相同跨徑連續剛構橋模型，為了保證結果的精準性，選用綜合邊界條件與建模方式，結果表明，曲率半徑在出現變化的同時，高墩剛構橋I 階的縱向基頻呈現起伏狀分布，但整體方面不會出現很大的變化；墩高變化會嚴重影響I 階結構縱向基頻，變化幅度最大值為＞60%，由此得出，墩高發生變化，會嚴重影響I 階結構的縱向基頻。

5 結構的振動特性

5.1 橋面不平整易影響結構振動特性

車輛在橋梁上通過時，車、橋會引發互相振動，從而使荷載效應增大。本文將不平整的橋面計入時，對兩輛32 t（軸載設置為8 t+24 t，軸距設置為5.0 m）標準汽車模擬通過結構的同時，對3 個結構不利截面部位的振動參數進行準確計算，結果如下：

（1）將不同不平整橋面進行計入后，結構振動幅度會明顯提升，特別是邊跨跨中與中跨跨距與扭矩改變更加明顯，最大的幅值增量為80%～195%，表明高墩剛構橋跨中部受橋面不平整度的影響，彎扭耦合效應更加顯著。

（2）墩頂有較小的彎矩和扭矩增幅（約20%），具體因素為改變橋墩部位造成的影響。

5.2 國內與國外相關規范比較

目前，國內外對大跨剛構橋沖擊系數的計算方法不具備相同的規范，也缺乏統一標準。通過國內外典型規范和對平整橋面橋面沖擊系數改變的研究得出：

（1）在對沖擊系數的計算中，各個國家的計算值大于我國規范的計算值范圍，其中美國規范計算值最大（0.33），各國沖擊系數值計算結果存在很大的偏差，因此在對此類橋梁安全性的評估中，其沖擊系數取值需要深入分析并合理拓展，使其實測值和理論值維持高度一致。

（2）C 級橋面不具備穩定的橋面狀況，理論計算值也遠比模型計算值小，因此在對沖擊系數實施計算與分析后，判斷很有可能是橋面不平整造成的影響。

（3）在結構沖擊系數的計算中，通過計算模型和規范值進行對比，尤其是C 級橋面不平的情況下，理論值與實測值差異較大。因此對此類橋面投用安全性的評估工作中，提出重點考慮橋面受不平整影響的建議，為沖擊系數更加準確地計算提供參考。

6 地震反應分析

6.1 明確地震輸入

按照大橋主橋價值級地震對橋梁結構破壞后的搶修難度，主橋超越使用的概率為63%/50 年，以50 年為重現期（簡稱地震E1 概率）和超越概率2%/50 年、重現期為地震E2 概率兩種地震水平的作用作為設防水準。

6.2 截面地震的具體反應

在縱向+豎向地震作用下，橋臺地震的最大值反應是臺身底部，而橋墩較為繁雜，其地震反應的最大的部位分布于橋墩的頂端、底端即橋梁交叉點上層與下層截面。所以需鞏固橋臺底部、橋墩底部、頂部、梁交叉點上部和設計下部的截面，以此保證剛構橋在縱向+豎向地震作用下，墩臺符合抗震功能方面的標準。

基于縱向+豎向輸入的背景，剛構橋墩底部與頂部的最大彎矩值通常為一致；雖然橋墩高度遠高于橋臺，但其最大彎矩值遠小于橋臺的最大彎矩值，由此可見，由于高墩結構剛性不足，在地震作用下的反應會越來越小。

6.3 高墩連續剛構橋的抗震能力

通過以上分析可知，橋墩的最大彎矩值遠小于橋臺的最大彎矩值，因而在高敦大跨度剛構橋體系中，由于高墩本身剛度不足，外加地震產生的振動對其響應不大，不會形成橋梁結構最薄弱的抗震點。通過驗算抗震表明，無論縱向+豎向或是橫向+縱向地震作用下，橋墩本身都未屈服，滿足抗震設防的標準要求，而橋臺底部在縱向+豎向地震作用下發生了屈服現象，符合其塑性轉動性能方面的要求。

7 結束語

以某大跨連續剛構橋工程為例，選用相應的方法對高墩大垮連續剛構橋動力特性實施研究，分析地震反應，包含明確地震輸入、主要截面的地震反應和抗震性能，總結如下：

（1）高墩大跨連續剛構橋具有很弱的橫向剛度，在地震作用下出現的最大反應于地震橫向+縱向激勵時，通常最大的反應出現在最高敦，而在橫向激勵時，最大的反應應該視情況確定。因此類橋梁于第一和第二橫向主跨剛度最弱，而中高墩處在兩跨中間，所以橫向激勵時，此類橋梁的最大反應發生在高墩墩頂部位。

（2）橋梁曲線結構容易引發主梁出現扭轉性振動。此類橋梁的縱向陣型發生于第四個階段，同時隨著主梁扭轉振型。扭轉振型在橫向激勵的同時對于地震響應的結果影響很大。

（3）高墩大跨連續剛構橋具有很大的縱向抗推剛性，最大的內力相應值通常出現在墩地最矮之處，應該將最矮的墩底當成截面控制來驗算地震的強度。

（4）行波效應影響應視橋梁實際的結構確定，針對此類橋梁，行波效應需引發位移以及縮小內力響應峰值，無需考慮計算波效應結果是否偏向安全。

（5）針對此類橋梁，在成橋的情況下，不會明顯影響到抗震性能結果。針對高墩大跨連續剛構橋，施工中影響最大的是動力特性，最大的懸臂狀態作為最不利的結構狀態。