基于減隔震設計的曲線梁橋地震響應分析

徐騰飛

摘要 為充分了解曲線梁橋地震響應特性，文章以沭陽縣淮河大道互通A匝道橋為工程背景，采用橋梁博士V4.4.1軟件建立了計算模型并進行時程分析，研究分析了高阻尼減隔震橡膠支座以及地震動輸入角度對曲線梁橋抗震性能的影響。結(jié)果表明，采用高阻尼減隔震橡膠支座后，有效提高了結(jié)構(gòu)安全性及整體抗震性能；橋墩墩頂縱向位移、墩底彎矩隨著地震動輸入角度的增加均呈先升后降的趨勢；同一地震動輸入角度工況下，邊墩墩頂縱向位移、墩底彎矩均比中墩大。分析過程以及所得結(jié)果可為同類橋梁提供參考。

關(guān)鍵詞 曲線梁橋；減隔震；地震動輸入角度；時程分析

中圖分類號 U441.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0069-04

0 引言

鑒于城市發(fā)展空間需求，曲線梁橋因其外形美觀、適用性強，在城市立交互通的占比越來越高，但受整體曲率效果影響，使得曲線梁橋相比于直線梁橋空間受力更為復雜，地震破壞更為顯著。近年來，減隔震研究、設計成果已逐步應用于橋梁工程建設，但大部分針對直線梁橋，曲線梁橋減隔震控制方法的研究還遠遠不能滿足實際工程需要。

該文以沭陽縣淮河大道互通A匝道橋為研究背景，采用“非線性動力時程分析方法”研究分析了高阻尼減隔震橡膠支座（以下簡稱減隔震支座）以及地震動輸入角度對曲線梁橋抗震性能的影響，可為同種類型橋梁的減隔震設計提供參考。

1 工程概況

沭陽縣淮河大道互通A匝道橋共計9聯(lián)，橋梁全長714 m，其中第6聯(lián)平面位于R=120 m圓曲線上，曲率半徑最小，因此選取該橋第6聯(lián)為計算聯(lián)，第5聯(lián)、第7聯(lián)為邊界聯(lián)進行抗震分析。第6聯(lián)上部結(jié)構(gòu)采用3×20 m

鋼筋混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，斜腹板單箱單室截面，梁頂寬10.2 m，梁底寬4 m，梁高1.5 m；下部結(jié)構(gòu)采用花瓶墩接承臺群樁基礎，墩柱高度12～14.5 m，地質(zhì)條件：承臺以下樁基范圍內(nèi)分布著黏土、中粗砂土層，樁基持力層為中粗砂。該工程場地基本地震動峰值加速度為0.15 g，地震基本烈度為7度，場地類別為Ⅲ類，特征周期值為0.65 s。依據(jù)《城市橋梁抗震設計規(guī)范》（CJJ 166—2011），由于采用減隔震支座，故該工程為非規(guī)則橋梁[1]。因此，該工程需采用“非線性動力時程分析方法”，并建立空間桿系模型進行橋梁抗震分析。限于篇幅僅示意出第5～7聯(lián)橋型立面布置圖，見圖1。

2 抗震分析計算模型

該文利用橋梁博士V4.4.1軟件建立模型（見圖2）進行抗震分析時，選擇相鄰聯(lián)作為計算聯(lián)的邊界聯(lián)，對邊界條件進行真實模擬，并將結(jié)構(gòu)自重、二期恒載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量參與抗震分析。上部結(jié)構(gòu)與橋墩之間采用減隔震支座連接，其參數(shù)如表1所示。減隔震支座在施工分析及自振分析中均以“線性連接”定義（采用水平等效剛度）；在進行抗震分析驗算中，采用“非線性連接”定義（等效雙線性恢復力模型模擬）[2]。樁基考慮樁土共同作用，采用等代土彈簧模擬，彈簧剛度采用m法計算，在動力分析中調(diào)整系數(shù)取為2。在進行時程分析時，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，采用瑞利阻尼。墩柱的計算高度與截面短邊尺寸之比大于8，故需考慮P-Δ效應[3]。

由于該工程未做地震安全性評價，時程分析時可根據(jù)地震烈度和場地土類別，得出相應的反應譜數(shù)據(jù)，并使用地震信號處理工具得出相匹配的地震加速度時程曲線，共計三條。在E2地震作用下進行減隔震設計的非線性動力時程分析時，分析結(jié)果選取三條地震加速度時程結(jié)果的最大值。三條水平地震波見圖3。

3 地震響應分析

3.1 動力特性分析

橋梁博士V4.4.1采用子空間迭代法進行結(jié)構(gòu)的特征值求解以及振型分析。該工程取計算前50階振型，以成橋狀態(tài)為初始條件，對建立的計算模型進行結(jié)構(gòu)動力特性分析，前5階振型分析結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，采用減隔震支座后，結(jié)構(gòu)的基本周期延長，避開了場地特征周期。

3.2 減隔震效果分析

根據(jù)《公路橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）規(guī)定，采用減隔震設計的橋梁，可只考慮E2地震作用下的抗震設計和計算。但宜同時對相應的非減隔震橋梁進行抗震設計，檢驗是否適合采用減隔震設計以及減隔震設計效果[3]。因此，對該工程計算聯(lián)分別采用減隔震支座和普通板式橡膠支座進行對比分析，14#～17#橋墩的地震響應結(jié)果如表3所示。由計算結(jié)果可知，墩底最不利彎矩采用減隔震支座僅有普通板式橡膠支座的65%左右，采用減隔震支座時的墩頂位移明顯小于采用普通板式橡膠支座時的墩頂位移。由此可知，減隔震支座可以有效改善結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.3 地震動輸入角度的影響分析

3.3.1 輸入角度的確定

地震響應分析時，直線橋只需輸入縱橋向、橫橋向兩個方向的地震動即可，而曲線橋則需分別考慮沿計算聯(lián)內(nèi)相鄰橋墩連線方向和垂直于連線水平方向進行多個角度地震動輸入，以確定最不利地震響應[1]。

為了掌握地震動輸入角度對曲線梁橋地震響應的影響，結(jié)合計算模型，該文取計算聯(lián)內(nèi)相鄰橋墩連線與整體坐標系X方向的夾角作為縱向地震動的輸入角Φ，見圖4。計算聯(lián)共計三跨，因此選取6 °、16 °、26 °三個角度作為地震動輸入角度。

3.3.2 輸入角度對墩頂位移的影響

按照6 °、16 °、26 °依次調(diào)整E2地震作用下地震動輸入角，對三種角度對應工況下計算聯(lián)14#～17#墩頂縱向位移進行計算，結(jié)果見圖5。由計算結(jié)果可知，各墩的墩頂縱向位移隨著地震動輸入角度的增加，均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，峰值均出現(xiàn)在Φ=16 °時。另外，同一地震動輸入角度工況下，邊墩墩頂縱向位移大于中墩墩頂縱向位移。

3.3.3 輸入角度對墩底彎矩的影響

同樣按照6 °、16 °、26 °依次調(diào)整E2地震作用下地震動輸入角，對三種角度對應工況下計算聯(lián)14#～17#墩底彎矩進行計算，結(jié)果見圖6。由計算結(jié)果可知，各墩的墩底彎矩隨著地震動輸入角度的增加，同樣均呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，峰值均出現(xiàn)在Φ=16 °時。另外，同一地震動輸入角度工況下，邊墩承受的墩底彎矩要比中墩大。

4 結(jié)語

該文通過非線性動力時程分析方法，結(jié)合沭陽縣淮河大道互通A匝道橋工程實例，研究分析減隔震支座以及地震動輸入角度對曲線梁橋抗震性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）該工程采用減隔震支座后，結(jié)構(gòu)的基本周期延長，避開了場地特征周期，明顯減小了橋墩控制截面最不利彎矩值以及位移響應，有效提高了結(jié)構(gòu)安全性及整體抗震性能。

（2）橋墩墩頂縱向位移、墩底彎矩隨著地震動輸入角度的增加均呈先升后降的趨勢；同一地震動輸入角度工況下，邊墩墩頂縱向位移以及墩底彎矩均比中墩大。

參考文獻

[1]城市橋梁抗震設計規(guī)范： CJJ 166—2011[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2011.

[2]黃潤. 采用摩擦擺式減隔震支座的小半徑曲線連續(xù)梁橋減隔震效果分析[J]. 福建交通科技， 2023（5）： 45-49.

[3] 公路橋梁抗震設計規(guī)范： JTG/T 2231-01—2020[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2020.