近断层地震动对高低墩连续刚构桥受力影响分析

姜 楠 刘 鹏

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023； 2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)



近断层地震动对高低墩连续刚构桥受力影响分析

姜 楠1刘 鹏2

(1.中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023； 2.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031)

以三跨连续刚构桥为例，通过建立分析模型，研究了墩高分别为30 m+45 m和30 m+60 m两种情况时，桥梁的地震响应和桥墩损伤情况，结果表明高墩、低墩的位移时程不一致，使得梁体产生一定的扭转；低墩墩顶承受更大的弯矩、墩底承受更大的剪力，导致低墩的损伤分布在桥墩的墩顶、横系梁和墩底截面，而高墩的损伤主要分布在下半部分。

近断层地震动，高低墩，连续刚构桥，纤维单元

1 概述

由于跨越山沟河谷等复杂地形的需要，山区桥梁往往采用高低墩连续刚构桥。目前，国内学者已针对不等高桥墩或者高低墩桥梁进行了一定的研究。耿江玮等[1]通过对非规则连续梁桥的非线性地震反应分析表明，当桥墩高度差异较大时，各墩变形能力相差也较大，导致在地震过程中矮墩承担更大的地震力，从而引起整座桥梁的抗震性能降低。徐龙[2]通过对纵横向地震分别输入研究表明，地震顺桥向输入时低墩承担了主要的地震力作用；地震横桥向输入时，高墩承担了主要的地震力作用。在不对称连续刚构桥的抗震设计中，张志勇[3]提出可适当减小矮墩的刚度，以减小最不利情况下结构关键截面的内力。陈丽丽[4]也针对墩体刚度的改变对结构地震响应的影响进行了分析，认为改变墩体刚度对内力的影响要远大于对位移的影响。王建忠[5]通过计算分析认为当墩高不对称时，两墩弯矩相差明显增大。上述研究都是基于远场地震进行的，但对于近断层地震动作用下不等高桥墩连续刚构桥的地震响应分析仍鲜见公开研究成果。因此，本文选取近断层地震动对高低墩连续刚构桥的受力进行分析，以期结论为同类桥梁的设计及研究提供参考。

2 模型建立

2.1 实例概况

为研究近断层地震动对不等高桥墩连续刚构桥抗震性能的影响，以一座铁路连续刚构桥为例展开分析。该连续刚构桥跨径组成为72 m+128 m+72 m，主梁采用变高度预应力混凝土箱梁，混凝土等级为C50；桥墩采用双肢薄壁墩，单肢采用圆端形变截面，墩顶横桥向宽9 m、顺桥向长2 m，其中横桥向矩形部分长为7 m、圆端半径1 m，横桥向沿墩高方向按1∶40的比例放坡，墩身采用C40混凝土、HRB400钢筋。计算中采用弹性梁单元模拟主梁、采用纤维单元模拟桥墩混凝土和钢筋，桥墩高度按2种情况进行考虑：30 m+45 m及30 m+60 m，其中：在高度为30 m和45 m的桥墩中部设置一道横系梁、高度为60 m的桥墩按间隔20 m设置两道横系梁。有限元模型、纤维单元截面见图1。数值分析采用有限元软件FRAME3D，该软件为日本抗震分析商业软件。

2.2 材料滞回模型

分别定义无约束混凝土、约束混凝土和钢筋3种材料本构模型，以模拟钢筋混凝土截面的保护层混凝土、核心混凝土和钢筋。无约束混凝土、约束混凝土均选用Mander混凝土滞回模型，钢筋则采用修正MP(S-K)滞回模型，滞回关系骨架如图2所示。

2.3 地震波选取

1999年9月21日，中国台湾南投县集集镇、车笼埔断层上发生了强度Ms7.6级的地震，震源深度7.0 km，此次地震获得了丰富的近断层加速度记录。选取TCU068，TCU102，TCU103，TCU106和CHY025等5条地震波进行三向地震动输入，统一将最大水平向加速度峰值调整至0.3g，另一水平向加速度峰值和竖向地震动加速度峰值按照相应比例进行调整。

3 计算结果与分析

3.1 抗推刚度分析

张永水等[6]通过连续刚构桥双肢薄壁墩抗推刚度计算方法的研究，提出等截面双肢薄壁墩被动位移阶段的抗推刚度与墩高的三次方成反比。根据该成果，30 m+45 m，30 m+60 m两种墩高峰组合若不考虑放坡，两墩抗推刚度比近似分别为3.375，8.0，即两种墩高组合两墩抗推刚度均相关明显，且后者较前者差别更大。

3.2 地震响应

在5条地震波作用下，桥墩墩顶位移最大值见表1。从表1中可见，两墩墩顶横桥向位移相差较大，墩高组合为30 m+45 m时，高墩横桥向位移为低墩的1.74倍，墩高组合为30 m+60 m时为2.43倍；而纵桥向位移几乎一致。这是由于虽然高、低墩桥墩抗推刚度不同，但主梁纵向刚度很大，使得两墩纵向位移基本一致；而主梁横桥向刚度相对较小，两墩之间的联系较弱，从而导致高、低墩位移不一致。图3为TCU068作用下墩顶位移时程，从图3中可清晰看出高墩、低墩位移的不一致性，且墩高差别越大不一致性越强，进而造成主梁产生扭转。

通过主梁跨中扭矩情况亦能看出墩高差别越大、主梁扭转越大。墩高组合为30 m+45 m时主梁跨中扭矩为278 014 kN·m，墩高组合为30 m+60 m时为338 158 kN·m，二者相差明显。

表1 墩顶位移 cm

高低墩的墩顶弯矩和墩底弯矩分别见表2和表3。从表2，表3中可见，随着墩高刚度差距的增大，墩顶弯矩变化不明显，但低墩都大于高墩弯矩值。高墩墩底弯矩比低墩大，随着墩高刚度差距的增大，低墩墩底弯矩变化不大，高墩墩底弯矩增加明显，二者差距进一步增大。就墩底剪力而言，低墩明显大于高墩。

表2 墩顶弯矩 kN·m

表3 墩底内力

3.3 桥墩损伤

为了更形象的对比桥墩的损伤情况，图4，图5分别给出了桥梁两种墩高组合在TCU068作用下桥墩的损伤情况，图中深灰色代表混凝土破坏、黑色代表一定程度的损伤。从图4，图5中可见低墩的墩顶截面更容易损伤，而墩底截面损伤程度相差不大，这也与上一节对墩顶、墩底弯矩的比较规律相一致。通过对5条地震波激励下桥墩的损伤分布情况分析发现，低墩损伤较严重的截面为墩顶、横系梁位置和墩底截面，而高墩损伤较严重的截面明显“往下移动”，除墩底截面外，墩高45 m时为横系梁位置截面、桥墩60 m时为靠近墩底横系梁位置截面。

4 结论

通过对连续刚构桥采用两种墩高组合、在多条近断层地震波作用下的结构响应和桥墩损伤情况进行对比分析，得到如下结论：1)由于两墩位移时程不一致，导致梁体在地震作用下产生一定的扭转。2)低墩的墩顶截面承受更大的弯矩，更容易发生损伤。3)低墩墩底剪力明显大于高墩，而墩底截面弯矩相差不大。4)低墩的损伤分布较广，在墩顶、横系梁位置和墩底截面均有出现，而高墩的损伤明显“往下移动”，出现在墩底和靠近墩底的横系梁位置。

[1] 耿江玮,朱东生,向中富,等.非规则连续梁桥非线性地震反应分析[J].重庆：重庆交通大学学报(自然科学版),2011,30(2):185-189.

[2] 徐 龙.山区高低墩梁式桥地震响应特性及减隔震研究[D].重庆：重庆交通大学,2014.

[3] 张志勇.高低墩大跨连续刚构桥的地震响应研究[D].重庆：重庆大学,2014.

[4] 陈丽丽.不对称连续刚构桥地震响应分析[D].大连：大连理工大学,2010.

[5] 王建忠.非对称高墩连续刚构桥的地震反应分析与减震措施[D].重庆：重庆大学,2014.

[6] 张永水,曹淑上.连续刚构桥薄壁墩抗推刚度计算方法研究 [J].中外公路,2006,26(3):144-147.

Analysis on the force influence of near fault earthquake to high-low pier continuous rigid frame bridge

Jiang Nan1Liu Peng2

(1.China Railway Eryuan Chongqing Survey & Design Institute Limited Liability Company, Chongqing 400023, China;2.China Railway Eryuan Engineering Group Limited Liability Company, Chengdu 610031, China)

Taking the three span continuous rigid frame bridge as an example, through the analysis model establishment, this paper the high pier respectively were 30 m+45 m and 30 m+60 m two cases, the seismic response and bridge piers damage situation of bridge, the results showed that displacement time histories of high pier not consistent with low pier, made the beam body had certain reverse, the low pier top bear greater bending moment, pier bottom bear greater shear, caused the low pier damage distributed in bridge pier top, transverse beam and pier bottom interface, but the high pier damage mainly distributed in lower part.

near fault ground motion, high-low pier, continuous rigid frame bridge, fiber element

1009-6825(2017)08-0174-02

2017-01-03

姜 楠(1981- )，女，工程师； 刘 鹏(1980- )，男，工程师

U442.55

A