整体式桥台曲线梁桥抗震性能研究

韦有波

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

整体式桥台曲线梁桥抗震性能研究

韦有波

（中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

以某匝道桥为研究对象，基于ANSYS软件建立1∶1的三维有限元模型，研究在地震力作用下，整体式桥台曲线梁桥各部位的加速度动力响应，得到结论：在罕遇地震下整体式桥台曲线梁桥的加速度放大系数较多遇地震时大；支座刚度选取的合理性，保证了下部结构与上部结构之间良好的联动性.

整体式桥台；曲线梁桥；有限元方法；土-结构相互作用；地震加速度

桥梁设计理论要求，在桥梁设计时需考虑到后期尽可能少的维修，甚至是“零维护”，达到桥梁全寿命总价最低的目的.整体式桥台桥梁由于其不设置伸缩缝，也就不存在伸缩装置破坏和维护的问题，节省了工期和桥梁造价，成为当前被各国设计师青睐的“可持续结构”.

目前，整体式桥台桥梁成为很多国家桥梁设计的首选方案，从而得到了应用推广.但是，虽然整体式桥台桥梁已在国外应用多年，但对其过于保守的设计，制约了整体式桥台桥梁的发展.目前对其研究大多处于静力分析阶段，且大部分研究集中在直桥和斜交桥中.

整体式桥台桥梁是土-结构相互作用的典型例子［1］.桥台后侧土压力随着深度和桥台位移变化而呈非线性变化；桥台后侧与桩侧土刚度、桥台、桩基和桥面板组合的抗弯刚度共同决定桥台的变形，桩基变形同时与桥台变形、土体变形有关，所以说，不能由传统的静态平衡法考虑土-结构的相互作用［2］.此外，土体变形在低地震度下就已进入非线性变形状态［3］.例如在中强度地震7～9度时，土的剪切模量仅为5度时的10%，［4］，所以在整体式桥梁抗震分析中不容忽视土-结构的非线性相互作用.

1 计算模型

本文以某匝道桥中的曲线梁桥（3×40，m）为工程背景［5］，并把桥台改为整体式桥台结构.整体式曲线梁桥各材料属性如表1所示，桥台侧土质为密实性回填土，桩侧土为松散型砂土，对应的内摩擦角分别为45°和30°，重度dγ分别取17，kN/m3和15，kN/m3.

表1 材料参数

建立与实桥1∶1的3D有限元模型，模型曲线半径为100，m，圆心角120°，跨度为3×40，m，采用等截面箱梁结构，箱梁横断面采用单箱双室结构，不考虑预应力筋的影响，桩长12，m，墩高5，m，支座采用普通板式橡胶支座，支座水平刚度取1.08×103，kN/m2，竖向刚度取1.393×106，kN/m2.箱梁、桥台、桥墩采用八节点六面体SOLID65单元，该单元能够模拟各项异性材料，每个节点有3个方向自由度，可解决材料的弹塑性问题.橡胶支座的水平刚度和竖向刚度分别选用COMBIN39和COMBIN7单元进行模拟.有限元模型如图1所示.

图1 有限元模型

2 动力特性分析

2.1 地震波的选取

时程分析中，地震波的选取是十分重要的，合理的地震波既能反映所在场地条件，又能反映出结构在地震动下的受力与变形特点［6］.在国内外文献中，一般采用的地震波需满足两个条件［7］：第一，选取与场地土周期一致的地震动卓越周期；第二，选取地震波持续时间至少大于10倍的结构自振周期，且包括最强地震部分.目前国际上常用于结构抗震分析的地震波有［8］：①EL-Centor波、Tatf波等；②选择桥梁所处地区及附近同类地址下的强震记录；③选用抗震规范中的人工地震波.

本文的整体式桥台曲线梁桥，地区取II类场地土，反应谱特征周期为0.45，s，抗震设防时烈度取7度，该地区地震动峰值加速度为0.15，g.由于本文的整体式桥台曲线梁桥是基于既有曲线连续梁桥所设计，故地震波记录采用了地震发生历史中具有代表性的El-Centro地震波、Taft地震波.

2.2 计算结果分析

在地震发生时，为了研究加速度由地面传到桥面板的过程中，整体式桥台曲线梁桥各部位的加速度动力响应，在2号桥墩自下而上每延米处设置1个观测点（见图2），同时在桥墩上的箱梁底板、顶板和桥梁跨中箱梁顶板各设置1个观测点，共设置观测点10个.

由于建模分析中，未考虑整体式桥台曲线梁桥的沉降，建模分析中对其桥墩底部进行了全约束，所以观测点GC1位移和加速度值均为0.本文主要考察在不同地震波作用下，结构中加速度的传播过程.

图2 2#墩观测点布置图（单位：cm）

2.2.1 EL-centro波作用下加速度响应分析

将EL-centro波幅值分别调整为多遇地震幅值0.55，m/s2和罕遇地震幅值3.1，m/s2，作为外激励输入到考虑桩-土相互作用的整体式桥台曲线梁桥的整个结构体系中.加速度放大系数是指结构的加速度响应最大值与输入地震动加速度峰值的比值.

2.2.1.1 多遇地震作用下结构加速度响应

通过对整体式桥台曲线梁桥进行时程分析，分析结果如图3所示.

图3 EL-centro波多遇地震计算结果

在多遇地震EL-centro波作用下，由图3可知：

（1）整体式桥台曲线梁桥各观测点的加速度在所有时刻的运动趋势保持一致，不同的是各质点的振动幅度.

（2）地震加速度由地面沿桥墩传至桥面板，在传播过程中，加速度逐渐增大.加速度的大小与加速度放大系数在桥墩中（观测点GC2-GC5）沿直线传播，在盖梁至桥面板之间，加速度的大小与加速度放大系数沿抛物线传播.

（3）通过加速度的大小与加速度放大系数在观测点GC7（盖梁顶面）和GC8（箱梁底面）即桥墩支座上下连接点之间传播，可以发现，本模型中支座刚度选取的合理性，保证了下部结构与上部结构之间良好的联动性.在桥梁抗震中，支座刚度的选取至关重要.

2.2.1.2 罕遇地震作用下结构加速度响应

通过对整体式桥台曲线梁桥进行时程分析，分析结果如图4所示.

图4 EL-centro波罕遇地震计算结果

在罕遇地震EL-centro波作用下，通过加速度时程曲线图和加速度放大系数可以得到，罕遇地震波与多遇地震波作用下，结构体的地震响应相同，不同的是：

（1）罕遇地震下，整体式桥台曲线梁桥的加速度放大系数较多遇地震时大，这是因为在桥梁刚度一定时，罕遇地震会对结构造成更大的破坏.

（2）罕遇地震下，桥墩位置上端的桥面板处（GC9）加速度放大系数为1.05，比地震波的初始加速度大，这是在多遇地震下没有出现的.由此说明，在罕遇地震下，支座处上端的桥面板也容易出现震害，特别是在传统曲线连续梁桥中，由于支座处设置伸缩缝，同时伸缩缝作为桥梁结构的薄弱处，容易撕裂伸缩缝发生落梁震害，而整体式桥台曲线梁中由于没有伸缩缝，可以避免此类落梁震害.

2.2.2 Taft波作用下加速度响应分析

将Taft波幅值分别调整为多遇地震幅值0.5，m/s2和罕遇地震幅值3.1，m/s2，作为外激励输入到考虑桩-土相互作用的整体式桥台曲线梁桥的整个结构体系中.

2.2.2.1 多遇地震作用下结构加速度响应

通过对整体式桥台曲线梁桥进行时程分析，分析结果如图5所示.

图5 Taft波多遇地震计算结果

在多遇地震Taft波作用下，通过加速度时程曲线图和加速度放大系数可知，多遇地震下Taft波与EL-centro波对整体式桥台曲线梁桥的地震反应相同，不同的是：

（1）多遇地震Taft波作用下，整体式桥台曲线梁桥的加速度大小与加速度放大系数都小于相应的EL-centro波作用下同一观测点处的加速度与加速度放大系数.

（2）多遇地震Taft波作用下，观测点中的加速度放大系数没有大于地震波初始加速度的.

2.2.2.2 罕遇地震作用下结构加速度响应

通过对整体式桥台曲线梁桥进行时程分析，分析结果如图6所示.

图6 Taft波罕遇地震计算结果

在罕遇地震Taft波作用下，通过加速度时程曲线图和加速度放大系数可以得到：

（1）对比于罕遇地震EL-centro波，在罕遇地震Taft波作用下，整体式桥台曲线梁桥的加速度大小与加速度放大系数都小于相应的EL-centro波作用下同一观测点处的加速度与加速度放大系数.

（2）对比于罕遇地震Taft波，整体式桥台曲线梁桥同一观测点处的加速度和加速度放大系数较多遇地震时大，这是因为在桥梁刚度一定时，罕遇地震会对结构造成更大的破坏.

3 结 论

通过以上数值分析可以得到以下结论：

（1） 整体式桥台曲线梁桥各观测点的加速度在所有时刻的运动趋势保持一致，不同的是各质点的振动幅度.

（2） 罕遇地震下，整体式桥台曲线梁桥的加速度放大系数较多遇地震时大，这是因为在桥梁刚度一定时，罕遇地震会对结构造成更大的破坏.

（3） 通过加速度的大小与加速度放大系数在观测点GC7（盖梁顶面）和GC8（箱梁底面）即桥墩支座上下连接点之间传播，可以发现，支座刚度选取的合理性，保证了下部结构与上部结构之间良好的联动性.在桥梁抗震中，支座刚度的选取至关重要.

［1］汪新惠.整体式桥台的无伸缩缝桥梁动力特性和地震反应研究 ［D］.福州：福州大学，2003.

［2］洪锦祥.整体式桥台桥梁的简化计算模型与受力性能研究［D］.福州：福州大学，2006.

［3］MISTRY，VASANT C.Integral abutment and jointless bridges ［C］//Integral Abutment and Jointless Bridges（IAJB 2005），Washington：National Academies Press，2005：3-11.

［4］陈宝春，庄一舟.无伸缩缝桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2013.

［5］胡明刚.曲线梁桥的动力分析及抗震性能研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［6］彭大文.无伸缩装置桥梁的发展［J］.福州大学学报（自然科学版），2001，29（2）：70-75.

［7］何度心.桥梁振动研究［M］.北京：地震出版社，1989.

［8］叶爱君，胡世德，范立础.桥梁支座抗震性能的模拟分析［J］.同济大学学报，2001，28（1）：6-9.

Seismic Performance Research of Integral Abutment Curved Girder Bridge

WEI Youbo
（The 2th Engineering Co.，Ltd of the 18th China Railway Construction Bureau，Tangshan 063000，Hebei，China）

With a ramp bridge as the research object，this research establishes a three-dimensional finite element model of 1：1 based on the ANSYS software.It researches the dynamic response of each part of the curve of integral abutment bridge to seismic acceleration.The results show that under rare earthquake，the acceleration amplification factor of integral abutment curve is greater than frequent earthquake，and the appropriate support stiffness can ensure the linkage between the substructure and superstructure，providing a certain reference value to relevant research.

integral abutment；curved girder bridge；finite element method；soil-structure interaction；seismic acceleration

U443.21

A

2095-719X（2016）04-0265-04

2015-06-18；

2015-06-24

住建部科学技术项目（2015-K3-021）；天津市自然科学基金项目（13JCYBJC19600）；天津市交通运输委员会科技项目（2014-23）

韦有波（1981—），男，江苏赣榆人，中铁十八局集团第二工程有限公司工程师.