深水作用下连续刚构地震反应分析

梅晓亮

0 引言

近年来，结构的抗震性能越来越受到人们的重视，桥梁结构作为公路和铁路的控制工程，往往关系运输网络的畅通，其抗震性能尤显重要。连续刚构桥梁自20世纪80年代引入我国，便得到了广泛的应用与关注［1，2］，关于其在地震作用下的结构响应的研究也比较多，但设计工作中，往往忽略水流对结构的影响。地震作用下，深水的动力作用会对桥梁的动力特性产生较大的影响:处于深水中的桥墩在水平地震作用下，会产生横向弯曲振动，桥墩由于与水体的相对运动，受到深水的压力作用，因此对主墩处于深水中的连续刚构桥来说，在进行抗震分析时，应对水体的动力作用加以适当的考虑［3］。本文以某三跨连续刚构为例，就桥墩与深水相互作用下的地震动力特性进行了分析计算。

1 工程概况

本文所选分析对象为(75+135+75)m三跨连续刚构，双向六车道，设计荷载为公路—Ⅰ级，地震基本烈度为7度，按8度设防，其他基本参数如下:

主梁截面形式:单箱单室箱形截面，主梁底部沿二次曲线变化，梁高 2.8 m ～6.8 m;

桥墩类型:双薄壁空心墩，整体式承台，墩高72 m;

基础类型:桩基;

设计行车速度:100 km/h。

2 计算工况及动参数

2.1 计算模型

采用大型桥梁结构专用分析软件Midas-Civil，建立全桥空间模型，模型建立时着重于结构的刚度、质量和边界条件的模拟:主梁、桥墩以及承台和桩基采用梁单元模拟;主梁与桥墩之间的连接采用刚性单元模拟;利用主从单元模拟支座;以惯性力和附加质量的方式模拟深水对主墩的作用［4，5］。计算模型如图1所示。

图1 计算工况

2.2 反应谱函数

参照《公路桥梁抗震设计细则》规定的水平设计加速度反应谱方法，确定加速度反应谱:采用瑞利阻尼，桥梁抗震重要性系数取0.5;场地系数取值1.0;A值选取0.30g;区划图上的特征周期是0.45 s。加速度反应谱如图2所示。

图2 加速度反应谱

3 计算结果分析

利用建立的空间模型，进行结构的反应谱和动力特性分析，结构动力特性分析中的特征方程求解采用子空间迭代法，计算取前500阶振型，振型组合按CQC方法进行。分析了深水作用对其地震反应的影响，对不考虑深水影响的结果(工况一)，与考虑深水影响的结果(工况二)进行比较。

3.1 自振频率与周期

两种结构的前10阶模态的频率如表1所示。

表1 两种工况的前10阶振动频率

结构的首阶振型周期是3.61 s，超过2 s，属于较柔结构，其第一阶振型为薄壁墩的纵向振动，说明墩的纵桥向刚度较横桥向小。

从模态数据可以发现，考虑深水作用时，桥梁的自振频率减小，自振周期变大。

3.2 内力分析

工况一与工况二的主要节点轴力如图3所示。

通过比较工况一和工况二的两组轴力数据，工况二在主梁中跨跨中的位置单元轴力增大122.8%，墩梁结合处平均增大214.7%，两墩墩顶分别增大 130.9% 和 143.3%，墩底增大114.2%和 134.9%。

由此可知，在连续刚构桥的地震分析中，考虑深水作用对桥梁主梁和主墩轴力都有很大的影响。

工况一与工况二的主要节点内力如图4所示。

由图4可以看出，工况一比工况二在跨中部位，扭矩减小50%，面内弯矩减小90%，面外弯矩值增大59%;墩梁结合处扭矩值平均减小1.4%，面内弯矩值减小91.1%，面外弯矩值增大6.7%;墩顶处扭矩值平均减小0.5%，面内弯矩值分别增大41.1%和97.8%，面外弯矩值分别增大 100.5%和 24.8%;墩底处，扭矩值平均减小0.5%，面内弯矩值分别增大63.2%和326.9%，面外弯矩值分别减小29.9%和增大18.8%。

通过上述分析可见，考虑深水作用，对主梁和主墩的扭矩和弯矩值都有很大的影响。

图3 工况一与工况二轴力比较图（单位：kN）

图4 工况一与工况二弯矩、扭矩比较图（单位：kN·m）

3.3 位移分析

通过计算，工况一与工况二的位移对比图如图5所示。

通过比较工况一和工况二的位移，不难发现:在跨中部位，顺桥向位移在墩底位置的变化较为明显，工况二比工况一分别增大89.1%和135.9%，其他部位增幅相对均匀，在32.3%左右;横桥向位移在各个部位都有显著地变化，跨中位置增大149.2%，墩梁结合处平均252.3%，墩顶位置平均265.5%，墩底位置415.7%。

竖向位移在各个位置都有所减小。

图5 工况一与工况二位移比较图（单位：m）

4 结语

在连续刚构桥的抗震分析中考虑深水作用，会对计算结果产生较大的影响。

1)桥梁的自振频率减小，自振周期变大。2)桥梁的整体轴力大幅增加，增加一倍以上，而弯矩有所减小或者发生小幅的变化。3)在位移方面的影响也是很明显的，尤其是墩顶和墩底位置。4)在建立工况的时候深水是以惯性力和附加质量的方式模拟的，惯性力和附加质量都是直接作用在主墩上的，因而在深水作用下桥梁主墩受到的影响最大，需要在进行设计的时候重点考虑。

［1］ 杨高中.连续刚构桥在我国的应用和发展［J］.公路，1998(6):1-7.

［2］ 杨高中，杨征宇，周军生，等.连续刚构桥在我国的应用和发展续［J］.公路，1998(7):1-5.

［3］ 黄新赞.深水高墩大跨连续刚构桥的地震反应分析［D］.昆明:昆明理工大学，2006.

［4］ 李 彤.地震作用下土—群桩—结构—水相互作用体系的动力反应分析［D］.上海:同济大学，1999.

［5］ 黄小国.连续刚构桥水平地震反应分析［D］.西安:长安大学，2006.

［6］ JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则［S］.

［7］ 范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.