中低设防烈度地区全无缝桥梁抗震性能分析

马永春　邵旭东　余加勇

摘要：为了准确地模拟接线路面特性，对其荷载变形和损伤进行了分析，提出了接线路面板集中弹簧简化模型.基于此，采用SAP2000建立了某座全无缝桥梁动力计算模型.对该桥进行了模态分析和地震时程分析，并与对应连续梁桥进行了对比分析；同时还进行了桥长和接线路面刚度敏感性分析.研究结果表明：中低设防烈度地区，全无缝桥梁的地震响应只有连续梁桥的24%～35%，主桥处于弹性无损状态.可见，全无缝桥梁能大幅提升中低烈度地区公路中小桥梁的抗震性能.

关键词：地震响应；半整体式全无缝桥梁；接线路面；地震设防烈度；时程分析

中图分类号：U442.55 文献标识码：A

为了掌握这一新型半整体式桥梁的振动和地震响应特点，本文以一座已建半整体式全无缝桥为工程背景，提出接线路面板拉伸荷载变形简化力学模型，建立全无缝桥梁弹性动力有限元模型；对全无缝桥梁及相应连续梁桥进行了自振特性和地震响应的对比分析，同时还进行了抗震性能参数敏感性分析，并对应用于中低设防烈度地区（6，7度）的全无缝桥梁的抗震性能进行了评估.

质量的形式集中到搭板末端；板式橡胶支座采用三向刚度弹性连接单元模拟；桩土相互作用采用节点弹性单元模拟；桩基底部固结.采用集中质量法考虑质量矩阵.时程分析时，模型采用瑞利阻尼.为了比较连续梁桥改进为全无缝梁桥后动力性能的变化，本文还建立了该桥对应的连续梁桥模型.

2.3分析结果

基于上述有限元计算模型，采用子空间迭代法，计算了该全无缝桥和其对应连续梁桥前50阶振型.取前10阶频率和振型特征示于表2.由结果可知：全无缝桥梁和连续梁桥的振型和频率非常类似.振型方面：第一振型都是纵桥向漂移，而且其它各阶振型及出现顺序基本一致.频率方面：除了第一阶固有频率相差很大外（全无缝桥型/连续梁桥型=2.2倍），其它各阶频率基本一致.可见，全无缝桥梁的接线路面对主梁纵向振动影响很大，对竖向振动基本无影响.

全无缝桥梁和连续梁桥第一阶振型参与质量都很高：分别为91.42%和88.95%.可见全无缝桥梁纵桥向振动也是以第一阶纵漂振动为主.

全无缝桥梁桥墩的最大弯矩及对应剪力响应都为连续梁桥的35%，且都远小于弹性抗力极限值；而连续梁桥在大震作用下，桥墩最大弯矩达到2 709 kN·m>桥墩的初始屈服弯矩2 633 kN·m.可见，全无缝桥梁能有效地降低纵桥向桥墩的损坏，即使在7度地区大震作用下桥墩依然处于弹性状态，而连续梁桥的桥墩则会出现较为严重的开裂.

由于全无缝桥梁的搭板与主梁结构连续，在地震和温度等荷载作用下都会引起边跨主梁一定的附加弯矩.本文地震引起的全无缝桥梁边跨跨中弯矩为59～180 kN·m，虽是连续梁桥的4.5倍，但只有对应自重引起弯矩（943 kN·m）的6%～19%（也远小于活载的响应）.可见，中低设防烈度地区，接线路面引起的边跨主梁的附加弯矩对主梁影响很小，不会造成损伤.

4参数敏感性分析

4.1主梁长度

全无缝桥梁一般都是在标准跨径（如20 m标准预应力空心板）简支梁桥的基础上，通过主桥先简支后桥面连续及接线结构无缝化的方法来实现路桥全无缝.现已建成的全无缝桥梁桥长主要为2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m.为了全面掌握各种桥长的全无缝桥梁在中低设防烈度地区的地震响应情况，分别对上述4种桥长的全无缝桥梁进行了时程分析.计算模型以2.2中全桥计算模型为基准，仅仅把主桥改设为2×20 m，3×20 m，4×20 m和5×20 m 4种情况.接线路面刚度、地震荷载等保持不变.计算结果如表4所示，小震、中震和大震分别用X，Z，D表示.从分析结果可以看出：

随着主梁长度的增加，全无缝桥梁的位移变形响应和内力响应都呈增加趋势，且位移变形响应的增幅要大于内力响应的增幅.然而，地震响应最大的5×20 m全无缝桥梁的桥墩、主梁、支座都处在弹性抗力范围内，主梁最大位移也仅有11.0 mm，不会冲撞桥台.

随着主梁长度的增加，接线路面的变形也越来越大.除了各级地震作用下的2×20 m全无缝桥和小震作用下的4种典型桥长全无缝桥的接线路面变形 （即主梁位移）落在性能区间1，沥青混凝土路面都是平顺无损的；其它情况都落在性能区间2，接线路面板路面层会出现细裂缝，但震后会弹性闭合，同时地锚与路交界处的路面可能出现开裂现象.

4.2接线路面刚度

从前面的模态分析和地震响应分析可以看出，接线路面的刚度对全无缝桥梁的振动影响很大.本部分仅将2.2中全桥计算模型的接线路面刚度（单位：kN/m）设置成如表5所示的9种等级进行时程分析，地震荷载同前.从表5的计算结果，可以看出：

随着接线路面刚度的增加，主梁纵桥向位移、支座变形、墩底最大弯矩及对应剪力都显著递减.可见，增大接线路面刚度能有效地减小全无缝桥梁全桥的位移响应和桥墩的内力响应，是控制落梁、支座破坏、桥台冲剪和桥墩损伤的最有效措施.

当接线路面每延米宽的刚度增大到100 000 kN/m时桥墩的内力响应出现最小值，再增大刚度响应反而会小幅升高.可见，即使不考虑经济效益，通过一味地增大接线路面刚度来增强全无缝桥梁抗震性能也是不合理的.

随着接线路面刚度的增加，边跨主梁弯矩响应呈先增大后减小的趋势.峰值弯矩为360 kN·m，仅为边跨自重弯矩（943 kN·m）的38%，也远小于活载弯矩.可见，中低设防烈度地区，接线路面引起的边跨主梁弯矩不会造成主梁损伤.

无论在何种接线路面刚度情况下，随着地震作用的增大，各项地震响应都会增大.因此，选择合理接线路面刚度时，还应考虑桥址地震大小情况.

由于接线路面刚度=接线路面板刚度+地锚刚度，且常规设计完成后，接线路面板的刚度随之确定，所以唯有通过增强地锚刚度的方式来增大接线路面刚度，最终达到增强全无缝桥梁的抗震性能.

5结论

根据接线路面不同的受力和损伤状态，把接线路面板拉伸荷载变形曲线划分为3个区间，并据此提出了接线路面板拉伸曲线的3线性简化模型.这为建立全无缝桥梁动力模型，进行模态分析和地震时程分析打下了基础.

全无缝桥梁和连续梁桥的振型和频率非常类似.振型方面：第一振型都是纵桥向漂移，而且其它各阶振型及出现顺序基本一致.频率方面：除了第一阶固有频率相差很大外，其它各阶频率基本一致.另外，全无缝桥梁第一阶振型参与质量高达91%，纵桥向振动以第一阶纵漂振动为主.

全无缝桥梁的主梁由于受到接线路面的限制，全无缝桥梁主梁纵飘位移和墩顶支座变形分别仅为对应连续梁桥的24%和20%；墩底最大弯矩和剪力响应也只有对应连续梁桥的35%；唯有边跨主梁弯矩响应是连续梁桥的4.5倍，但最大弯矩值也仅为自重响应的19%（不足以造成主梁损伤）.可见，全无缝桥梁不存在伸缩装置破损，对抗落梁、抗桥台冲剪、保护支座和桥墩都非常有利，抗震性能明显地优于简支梁桥和连续梁桥，是一款抗震性能非常优秀的中小型桥梁.

中低烈度地区4种典型桥长的全无缝桥梁抗震分析表明：随着桥长的增加，全无缝桥梁的位移响应和内力响应都呈增加趋势，但桥墩、主梁、支座都处在弹性抗力范围内.另外，各级地震作用下的2×20 m全无缝桥和小震作用下的4款全无缝桥的接线路面处于性能“区间I”：完好无损；其它情况的接线路面处于性能“区间II”：出现细裂缝，但震后会弹性闭合、地锚与路交界处会出现较小的开裂现象.

接线路面刚度参数敏感性分析表明：随着接线路面刚度的增加，主梁纵桥向位移、支座变形、墩底弯矩及剪力都显著递减；主梁弯矩响应存在一个极大值，但值较小.可见，接线路面刚度是控制全无缝桥梁抗震性能的最敏感参数.在经济合理的前提下，采用刚度较大的地锚对全无缝桥梁抗震是有利的.

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