中小跨径连续梁桥抗震结构参数影响分析

杨 涛

(云南省交通规划设计研究院，云南昆明 650011)

我国许多地方特别是云南地区，是地震多发区之一。随着高等级公路的不断延伸，许多线路不可避免地经过这些地形复杂的高烈度地震区，从而将有大量的桥梁建造在地震区。中、小跨径连续梁桥施工方便、造价低的优越性被广泛应用，双柱式、T形桥墩是中、小跨径梁桥广泛采用的下部结构形式。云南部分地区处于8度地震高烈度区，对中小跨径桥梁的抗震设计有着更高的要求。

本文以云南山区线路中常用的双柱式、T形墩桥梁为研究对象，采用动力弹塑性时程分析，分别详细讨论了墩底边界模拟方法、单联与多联模型等参数对地震响应结果的影响程度与规律，所得结论可供工程设计人员参考。

1 工程概况

云南某高速公路常用中小跨径连续梁桥，设计荷载等级为公路—Ⅰ级，分幅式路基宽度有12 m和16.5 m2种，下部结构形式分别为T形墩与双柱式墩。跨径30 m连续梁下部桥墩按墩高及桥面宽度进行划分、组合，共计8种类型。

分幅式路基(宽12 m)下部采用T形墩，墩高在20～40 m，墩身采用变截面实心矩形墩;墩高在40 m以上时墩身采用变截面空心薄壁箱形墩。分幅式路基(宽16.5 m)下部采用双柱式墩，墩高在15～30 m时，墩身采用等截面实心矩形墩;墩高在30～45 m之间时，墩身采用变截面实心矩形墩;墩高在40～60 m之间时，墩身采用变截面空心薄壁箱形墩。变截面桥墩纵桥向沿高度均设有80∶1的坡度，双柱式墩两墩柱间竖向每隔18 m设一道系梁。

2 双柱墩与T墩空间动力计算模型

计算采用有限元分析软件 Midas/Civil进行。为了全面分析上述8种类型桥跨结构的地震响应特性，对每一类型桥墩均以5 m或10 m为级差对不同墩高情况进行分析。同时对几种有代表性的桥墩类型，采用3种不同的墩底边界条件以考虑桩土作用计算模式对结构地震反应的影响。对8个类型桥墩进行纵横向地震反应分析时，建立全部计算模型共计24个。

2.1 桥梁结构的模拟

上部结构T梁采用空间梁格单元按照多主梁建模。桥梁上部结构二期恒载，按荷载转化为质量方法考虑。对于相邻跨结构质量的影响，采用集中在盖梁节点上的质量单元。

在地震作用下支座的水平刚度对桥梁主体结构的地震反应影响较大。对一联桥梁中间桥墩墩顶设置的普通板式橡胶支座，采用弹性连接来模拟其纵、横向刚度。

2.2 墩底边界条件模拟

分别采用墩底直接嵌固法、等效刚度嵌固法和m法来考虑桩土作用的影响，并进行必要的比较研究。直接嵌固法是指在计算桥梁结构的地震响应时，不考虑桩基础的影响，直接在墩底固结。而等效刚度嵌固法是单独计算墩底以下桩基与承台共同作用的刚度，墩底采用计算出的等效刚度。m法是指将桥梁结构与桩基础共同考虑，将桩周土体对基桩的作用，模拟为沿深度变化的一系列弹簧。在全桩模型中，地基比例系数m值取20 000 kN/m4。依据上述方法和原则对各类型桥墩结构建立其空间有限元动力计算模型。

2.3 地震动参数的选取

计算输入时程地震波曲线的确定按拟建场地抗震设防烈度为8度考虑，场地类别为Ⅱ类场地土，水平向设计基本地震动加速度峰值为0.3g，根据该地区提供地震安评报告，确定时程曲线见图1。

图1 动力时程曲线

3 结构参数影响分析

3.1 墩高变化及桩土作用对地震响应的影响分析

对每种类型的桥墩在其适用范围内以一定的级差计算了不同墩高情况下的地震内力及位移，对双柱墩与T形墩代表性的桥墩进行了不同的桩土效应模式(墩底固结、等效刚度固结及全桩模型)对比分析。在此3种计算模式分别称为模式A、模式B和模式C。纵向、横向地震时程曲线下墩底弯矩在不同计算模式下随墩高的变化情况如图2所示。

对计算结果进行整理分析，得出以下一些结论:

图2 双柱墩墩底纵、横向地震产生弯矩值

1)3种类型桥墩模式B的纵向地震力在墩高不大于60 m时均小于模式C的计算结果，且相对误差随着墩高的增加而减小，墩高＞30 m时相对误差均＜5.5%。模式B横向地震反应墩底及墩顶的横向地震力基本上与模式C的值相当。模式B的墩顶纵向位移值均大于模式C的值，墩高＞30 m时其相对误差均＜5%。模式B的纵向振动基本周期值均大于模式C，且相对误差随着墩高的增加而减小，墩高＞30 m时其相对误差均＜5%。模式B墩顶横向位移值及横向振动基本周期值与模式C的相应值基本相当。

2)对于每一类型桥墩，在纵向地震作用下墩底受力的基本规律是随着墩高的增大墩底弯矩值不断增大，而墩底剪力值在减小。在横向地震作用下随着墩高的增加其墩底弯矩并非单调增加，而是受横系梁设置的影响，随着墩底段的增大而增加;墩顶弯矩和剪力值随着墩高的增加在不断减小。可见，对于考虑桩土效应的3种简化方法，计算模式A(直接嵌固模型)计算的结构整体刚度偏大，结构基本周期偏小，在地震作用下计算的结构内力偏大，造成设计过于保守。计算模式C(m法全桩模型)能较为详细地考虑桩基础与桥梁结构的共同作用，同时也能反映土体影响，是比较合理的一种方法，但是该简化模型的建模工作量大。对于本文研究对象，计算模式B(桩底简化固结模型)可以得出与全桩模型基本相当的结果，且建模工作量要小，可适用于常规设计。

3.2 单联与多联模型计算影响分析

在建立桥梁空间动力计算模型时应尽量建立全桥计算模型，但对于很长的桥梁，可以选取具有典型结构或特殊地段或有特殊构造的多联梁桥(一般不少于3联)进行地震反应分析。这时应考虑邻联结构和边界条件的影响。为简化分析，通常只建立1联桥跨结构，并将边界处相邻梁跨上部结构一半的恒载质量集中在边墩盖梁相应节点上来考虑其对本联结构的影响。对于由此简化而带来的误差(相对于3联结构模型)将在此进行讨论。分别选取双柱墩和T形墩为代表进行对比分析，墩底边界条件为计算模式A。

双柱墩和T形墩地震纵、横向输入时单联模型与3联模型墩底内力计算结果对比情况见表1。分析结果表明，T形墩地震动纵、横向输入下一联内中间桥墩墩底内力及桥跨纵向基本周期值，单联模型与3联模型相比基本相同。双柱式墩地震动纵向输入下一联内中间桥墩墩底内力及桥跨纵向基本周期值，单联模型与3联模型相比基本相同。所以建立单联模型进行T形墩桥跨结构的纵、横向地震反应是完全可行的。双柱墩纵向地震力分析也可采用单联模型。

表1 单联与3联模型墩底内力比较

双柱式桥墩横向地震输入计算结果，单联模型墩底力及横向振动固有周期值均较3联模型小。对于双柱式桥墩，单联模型内力值相对于3联模型内力值的误差在6.3%～13.0%之间。单联模型的控制内力对于3联模型的相对误差均随墩高的增加而减小。分析其原因在于对3联模型交界墩顶四滑板支座处主梁与桥墩的横向自由度进行了主从约束，考虑相邻跨结构时，相邻联跨结构将参与单联结构的横向振动。即邻联结构与单联模型发生横向耦联振动，从而在相同的地震动水平作用下3联模型地震力和墩顶位移将会有所增大。所以，对于长联结构进行横向地震动分析时，应考虑相邻联结构的影响，否则计算结果将有可能偏于不安全。

4 结论

1)对于考虑桩土效应的3种简化模拟方法，墩底直接嵌固模型在地震作用下计算的结构内力偏大，且该简化模型对结构位移的估计不足;桩底简化固结模型可以得出与全桩模型基本相当的结果，且建模工作量要小，可适用于常规设计。

2)T形墩建立单联模型进行桥跨结构的地震反应是完全可行的。对于双柱式桥墩长联结构进行横向地震动分析时应考虑相邻联结构的影响，否则计算结果将有可能偏于不安全。

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