不同結(jié)構(gòu)形式相鄰橋聯(lián)地震響應(yīng)分析

楊紅磊

（天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津300011）

在山谷丘陵地帶，橋梁需要跨越較寬的山谷和河流，連續(xù)剛構(gòu)橋因在施工工藝、結(jié)構(gòu)受力等方面的諸多優(yōu)點(diǎn)，成為首選橋型[1]。當(dāng)?shù)貏?shì)起伏較大時(shí)，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋常通過較矮的連續(xù)梁橋與橋臺(tái)相連；但高墩大跨連續(xù)梁橋的動(dòng)力特性與較矮的連續(xù)梁橋存在巨大差異，導(dǎo)致地震作用下相鄰橋聯(lián)的振動(dòng)幅值、相位完全不同[2]。汶川地震中，廟子坪特大橋的主橋（大跨連續(xù)剛構(gòu)）與引橋（連續(xù)梁橋）連接處出現(xiàn)了嚴(yán)重震損[3]，連續(xù)剛構(gòu)主橋兩側(cè)的過渡墩及主梁支座、抗震擋塊完全破壞。楊萬(wàn)理等[4]對(duì)廟子坪特大橋的震害進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為過渡墩處的普通盆式橡膠支座對(duì)主梁變形的約束效果較差，導(dǎo)致墩梁相對(duì)位移過大；連續(xù)剛構(gòu)主橋箱梁和橫向抗震擋塊的間距過小，無(wú)法充分利用支座的耗能作用。

針對(duì)不同相鄰橋聯(lián)自振頻率差異較大的情況，李建中[5]研究了過渡墩自振頻率對(duì)墩梁相對(duì)位移的影響，得到不同限位裝置對(duì)墩梁位移控制的效果；黃小國(guó)[6]分析了不同相鄰橋聯(lián)周期比的連續(xù)梁橋多種限位裝置對(duì)墩梁相對(duì)位移的影響，認(rèn)為相鄰兩聯(lián)橋梁自振周期相差越大，越依賴限位裝置控制橋梁的墩梁相對(duì)變形；Kim J M[7]和DesRoches R[8]對(duì)跨中設(shè)鉸的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析，認(rèn)為連梁裝置有助于控制不同周期比的相鄰橋聯(lián)相對(duì)位移。上述研究中的相鄰橋聯(lián)結(jié)構(gòu)形式相同、自振模態(tài)相似，僅需考察周期比的影響。當(dāng)相鄰橋聯(lián)結(jié)構(gòu)形式不同時(shí)，即使自振頻率相同，自振模態(tài)的不同也會(huì)導(dǎo)致過渡墩兩側(cè)的地震響應(yīng)不協(xié)調(diào)；但目前針對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式相鄰橋聯(lián)地震響應(yīng)的研究較少。

本文對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋相鄰的情況展開研究，在Midas有限元分析軟件中建立橋梁結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，分析了兩個(gè)橋聯(lián)的地震響應(yīng)。

1 橋梁整體模型

1.1 工程概況

我國(guó)西北地區(qū)某橋梁主橋?yàn)檫B續(xù)剛構(gòu)橋，引橋?yàn)檫B續(xù)梁橋，孔跨布置為70 m+120 m+70 m（連續(xù)剛構(gòu)）+3×50 m（連續(xù)小箱梁）。連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁；下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)為U 形，橋墩為雙肢薄壁墩，樁基礎(chǔ)直徑2 m；在0#橋臺(tái)、3#過渡墩及6#邊墩處分別設(shè)置80 型伸縮縫。連續(xù)剛構(gòu)橋采用盆式橡膠支座GPZ3.5SX；連續(xù)梁橋過渡墩處采用四氟滑板式支座GYZF4400X84，其他橋墩采用板式橡膠支座GYZ400X84。見圖1和圖2。

圖1 橋型布置

圖2 橋墩立面

橋梁場(chǎng)地類型Ⅱ類，8度地震設(shè)防；除表面有薄層種植土外，其余為粉土角礫土、凝灰?guī)r。角礫土推薦承載力基本容許值為300 kPa；凝灰?guī)r灰紫色，巖芯呈碎塊狀，節(jié)理較發(fā)育，推薦承載力基本容許值為1 500 kPa。

1.2 地震波參數(shù)

JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，非線性時(shí)程分析采用基于設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜人工合成的3條地震波，選取3條時(shí)程波對(duì)應(yīng)的最大值。E2設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，加速度峰值0.39g。地震波輸入方式：順橋向（橫橋向）地震波時(shí)程波+70%相應(yīng)順橋向（橫橋向）地震波時(shí)程波。見圖3和圖4。

圖3 時(shí)程波對(duì)應(yīng)的反應(yīng)譜與JTG/T 2231-01—2020規(guī)定反應(yīng)譜吻合

圖4 加速度時(shí)程波TH-1曲線

1.3 支座分線性模擬

板式橡膠支座直接放置于墩頂上，地震過程中板式橡膠支座與主梁會(huì)發(fā)生相對(duì)位移，出現(xiàn)滑動(dòng)。此時(shí)，板式橡膠支座也會(huì)延長(zhǎng)橋梁振動(dòng)周期，達(dá)到減隔震的目的。板式橡膠支座采用和四氟滑板式支座一樣的雙線性彈塑性彈簧單元來模擬其動(dòng)力滯回曲線。見圖5。

圖5 支座恢復(fù)力模型

式中：ud為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；R為支座所承擔(dān)的上部結(jié)構(gòu)重力。

式中：Gd為橡膠支座的動(dòng)剪切模量，一般取1 200 kN/m2；Ar為橡膠支座的剪切面積，m2；∑t為 橡膠層的總厚度，m。

根據(jù)JT/T 663—2006《公路橋梁板式橡膠支座規(guī)格系列》，普通板式橡膠支座摩擦系數(shù)ud為0.2，四氟滑板式支座摩擦系數(shù)ud為0.02。

式中：ud一般取0.02。

式中：Xy為盆式支座屈服位移，一般取0.002～0.005 m。

1.4 伸縮縫模擬

為了模擬相鄰兩聯(lián)橋由于非一致振動(dòng)可能發(fā)生在伸縮縫位置處的碰撞效應(yīng)，采用線性彈簧模型，忽略碰撞過程中的能量損失。見圖6。

圖6 伸縮縫碰撞模型

相鄰兩聯(lián)橋在伸縮縫處的碰撞力可表示為

式中：k為伸縮縫接觸單元彈簧剛度；d0為初始間隙；d為彈簧的變形值，壓縮為正值。

直梁間的碰撞剛度選取為短梁的抗壓剛度。

1.5 樁土相互作用

采用m法計(jì)算土彈簧剛度，模擬樁周土體對(duì)樁基的作用，只在連續(xù)剛構(gòu)橋模擬樁土的相互作用。引橋需要改變墩長(zhǎng)來獲得兩聯(lián)橋的周期比值，橋墩底直接嵌固處理。

1.6 橋梁動(dòng)力分析模型

主梁、蓋梁、橋墩及樁基均用彈性梁?jiǎn)卧M。需要強(qiáng)調(diào)的是，大量的震害表明，當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)橋墩完全屈服出現(xiàn)塑性鉸時(shí)，不但有較大的水平永久位移；而且由于混凝土的破壞，在豎向上也會(huì)有明顯的永久變形，使得主梁各支點(diǎn)出現(xiàn)明顯的不均勻變形，給震后加固帶來較大的困難。故本模型中認(rèn)為橋墩處于彈性階段，混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取為0.05，在進(jìn)行非線性時(shí)程分析時(shí)采用瑞利阻尼。把結(jié)構(gòu)自重和二期荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形作為非線性地震時(shí)程荷載分析的初始條件。見圖7。

圖7 橋梁非線性動(dòng)力分析模型

2 結(jié)果分析

用T1X、T1Y分別表示模型中主橋長(zhǎng)周期聯(lián)首次縱漂、橫移自振周期；用T2X、T2Y分別表示模型中引橋短周期聯(lián)首次縱漂、橫移自振周期；用TX、TY分別表示模型中過渡墩首次縱漂、橫移自振周期。通過調(diào)整短周期聯(lián)的墩高，得到不同的相鄰兩聯(lián)周期比。

隨著T2X/T1X的增大，相鄰兩聯(lián)橋的各自墩梁相對(duì)位移都在減少，大致呈線性關(guān)系；同時(shí)，長(zhǎng)周期聯(lián)的順橋向墩梁相對(duì)位移大致是短周期聯(lián)縱橋向墩梁相對(duì)位移的2倍。見圖8。

圖8 過渡墩處順橋向墩梁相對(duì)位移

周期比0.3~0.4 段內(nèi)，長(zhǎng)短周期聯(lián)過渡墩處的墩梁橫橋向相對(duì)位移不隨著T2Y/T1Y的變化而變化。同時(shí)，長(zhǎng)周期聯(lián)墩梁橫橋向相對(duì)位移是短周期聯(lián)墩梁橫橋向相對(duì)位移的8倍以上。見圖9。

圖9 過渡墩處橫橋向墩梁相對(duì)位移

主橋連續(xù)剛構(gòu)橋邊跨過渡墩處的墩梁橫橋向相對(duì)位移明顯大于順橋向。見圖10。

邊跨主梁所受的橫橋向約束十分有限，而主梁受到主墩的強(qiáng)大約束以及相鄰跨主梁的碰撞約束，主梁橫彎振型的頻率較低，在地震中極易被激發(fā)，邊跨的擺尾現(xiàn)象是邊跨主梁橫彎振型被激發(fā)的必然結(jié)果；此外邊跨主墩的位移將導(dǎo)致其產(chǎn)生剛體平動(dòng)，同時(shí)還附加有邊跨自身的橫彎振動(dòng)，因此表現(xiàn)出明顯的擺尾現(xiàn)象。

3 結(jié)論

由于相鄰橋梁的動(dòng)力特性差異巨大，相鄰橋聯(lián)在地震作用下的變形幅值、相位存在巨大差異，地震作用下高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主橋變形幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過引橋，相鄰橋聯(lián)的主梁有可能出現(xiàn)撞擊，過渡墩上支座也可能出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，過渡墩處動(dòng)力調(diào)諧設(shè)計(jì)應(yīng)成為橋梁抗震設(shè)計(jì)必須考慮的因素。

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