不同分联形式对山区不规则梁桥抗震性能的影响

狄秉臻

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

随着交通基础设施建设不断推进，在西部山区修建了越来越多的高速公路桥梁。因经济性、施工周期等因素，主梁形式为T梁、小箱梁的梁桥仍占有很大比例。山区地势起伏不定，但受限于截面形式，T梁桥或小箱梁桥的跨径不大，一般在50 m以下，因此其难以一跨越过山沟坡地。这样就导致需要在沟底及附近位置设置桥墩，同时也造就了山区梁桥的特点之一：最大墩高较大，各墩之间高差大。同时西部山区桥梁另一个特点是处于地震频发区。我国地震呈“东弱西强”分布，在西部地区，7级及以上的强震发生的概率也较大，比如2008年的汶川地震，2013年的雅安地震[1]。因此山区桥梁在设计时，必须重视其抗震性能。

结合上述西部山区桥梁的两个特点，采用简支或短联形式时，就会面临以下几种问题：(1)落梁的可能性大[2]。汶川地震中，庙子坪大桥、百花大桥和高原大桥等均发生落梁。在发生落梁后，因抢修难度大，交通一时难以恢复，会严重阻滞震后救援的进行。(2)整体性差，自振频率低。各跨之间不能协同抗震，且桥梁结构频率低、周期长，在地震作用下，会导致过大的变形，此时位移代替强度成为控制指标[3]。(3)伸缩缝数量多。有研究表明，伸缩缝两端梁体相互碰撞，是导致落梁的主要原因之一，轻则也会造成两端混凝土破碎[4]。(3)地震作用下，各墩之间内力分布不均[5]。在截面相同时，高墩相对矮墩刚度小，矮墩过大的刚度会导致其承担较大的内力，这样显然是不利的。当采用长联形式时，上述问题理论上可得到改善，因此本文对比了长短联形式下桥梁结构的地震响应，以提出更适合于山区桥梁的分联形式。

1 模型参数

使用MIDAS/CIVIL软件建立了6×40 m预应力混凝土连续T梁桥模型，如图1所示。改变墩高参数和分联形式进行了E1反应谱分析。

模型中1#墩为最高墩，5#墩为最低墩，墩高依次递减，具体墩高布置见表1。按照相邻墩高差的不同，分为1-1、1-2、1-3三组，各组墩高差逐渐增大，由5 m增大到10 m再到20 m。与此同时，最大墩高也在一次增加。模型1-1整体墩高相对较矮，模型1-3整体墩高最高，模型1-2介于两者之间。每组模型采用了两种分联形式：6跨一联和2×3跨一联。6跨一联在桥台处设置滑板支座，桥墩上设置等刚度板式支座。2×3跨一联在3#墩上设置滑板支座，其余支座布置同6跨一联。

图1 有限元模型

表1 各模型墩高参数

全桥为6孔40 m跨预应力连续T梁，每孔由5片T梁组成，T梁梁高2.5 m。桥墩为等截面独柱矩形空心墩，横桥向长4.5 m，纵桥向长3 m。T梁采用C50混凝土，墩身、盖梁采用C40混凝土。桥台处布置聚四氟乙烯滑板支座，各桥墩处布置5个板式橡胶支座，剪切刚度2 896 kN/m。桥梁抗震设防类别属于B类，桥址处地震动峰值加速度0.20g，特征周期0.35 s，场地类型为II类。

2 长短联动力特性对比

长短联形式下，不同模型的前5阶自振频率见表2。模型1-1长联形式下的的一阶频率为0.440 Hz，是短联一阶频率(0.282 Hz)的1.56倍。在高阶频率上，长联更是显著大于短联：长联下模型1-1的第5阶自振频率是短联的3.15倍。类似的模型1-2和模型1-3也均是长联频率大于短联。模型1-2与模型1-3的长联一阶频率分别是相应短联形式的1.59倍和1.65倍。自振频率大意味着桥梁结构周期短，刚度大，有利于改善山区桥梁自振频率低、结构柔、变形大的问题。究其原因在于采用长联形式时，左侧高墩一联与右侧矮墩一联相互串联在一起，矮墩短联在一定程度上弥补了高墩短联刚度过小的缺点，因而基频较短联形式有所增加。值得说明的是，从模型1-1到模型1-3，长联与短联一阶频率的倍数关系逐渐增大，从此可以看出，当墩高越大时，采用长联对提升桥梁结构自振频率的作用越明显。

表2 不同模型前5阶自振频率

长联和短联首次出现的面外和面内振型见表3。长联最先出现的面外振型为主梁横向弯曲，而短联则是主梁横向平转。这是因为短联形式下，在3#中间墩上布置的是聚四氟乙烯滑板支座，无法对上部主梁结构形成有效约束。长联下首次出现的面内振型是桥墩纵向弯曲，相比之下，短联只在高墩一侧发生纵向弯曲。由此不难看出，短联桥梁较长联桥梁整体性差，这是不利于桥梁结构抗震的。

3 墩底内力对比

在地震作用下，梁桥桥墩的内力最大位置在墩底处，因而墩底截面受力为最不利。本小节主要对比了长短联形式下墩底的剪力和弯矩。

各组模型在不同的分联形式下的墩底剪力如图2～图4所示。在两种分联形式下，桥墩墩底纵桥向剪力总体都表现为矮墩大，高墩小，即矮墩承受了较大的剪力，是高墩纵桥向剪力值的1～2倍。与短联桥梁相比，长联桥梁在1#和2#高墩上，长联墩底纵向剪力更小。与此相反的是，在4#和5#矮墩上，长联墩底纵向剪力较大。在3#墩处，长短联墩底纵桥向剪力相差不多。造成上述现象的原因是长联桥梁将左侧高墩部分与右侧矮墩部分连接起来后，矮墩区因其刚度大，上部结构质量引起的剪力更多地向矮墩集中。

墩底横向剪力在各墩之间分布规律不是很明显。采用长联时，墩底横向剪力基本符合“矮墩大，高墩小”这一规律。但在采用短联时，最大墩底横向剪力值出现的位置不定。多数桥墩在采用短联时横向剪力更大，但在最矮的5#墩处恰恰相反，长联下其墩底横向剪力更大，在模型1-2中，长联比短联横向剪力大了24 %。

图2 地震作用下模型1-1墩底纵横向剪力

图3 地震作用下模型1-2墩底纵横向剪力

图4 地震作用下模型1-3墩底纵横向剪力

不同模型在不同分联形式下的墩底弯矩如图5～图7所示。从图5可以看出，模型1-1作为I类桥梁中整体墩高最矮的一组，在两种分联形式下，墩底纵桥向弯矩相差不多。在1#和2#两个相对较高墩处，长联形式的墩底纵桥向弯矩比短联形式减小了约2 000 kN·m，相对减少了12 %。模型1-2和模型1-3的高墩墩底纵向弯矩分别减少了23 %和35 %。值得注意的是，模型1-3的4#墩底纵向弯矩较短联增加了27 %，这是因为上部结构传递到4#墩的剪力较大，即使其不是最高墩，力臂不是最长，最终墩底纵向弯矩反而最大。

一般情况下，长联桥梁的墩底横向弯矩要小于短联桥梁，特别是在2#墩处，短联下其墩底横向弯矩最大值均出现在2#墩处，其弯矩值是长联的1.5倍。长联形式下5#墩和1#墩底横向弯矩有可能略大于短联，但相差不大。同时对比墩底纵向弯矩，采用短联时，墩底纵向、横向弯矩最大值均出现在2#墩处。相比于1#墩，2#虽然较矮，只看桥墩时，地震作用下弯矩小于高墩，但2#墩相对刚度大，分配的水平力更大，综合起来反而墩底弯矩更大。5#墩因其墩身最矮，高度只有10 m，所以其自身质量小，再加上水平力臂短，导致地震作用下弯矩最小。整体上看，相对于长联，采用短联时，墩底横向弯矩分布更加不均。

图5 地震作用下模型1-1墩底纵横向弯矩

图6 地震作用下模型1-2墩底纵横向剪力

图7 地震作用下模型1-3墩底纵横向剪力

4 结论

为了提高山区桥梁的抗震性能，本文分析对比了长联和短联两种分联形式对桥梁地震响应的影响，主要有以下几点结论。

(1)长联形式下桥梁结构的基频要大于短联形式，在高阶频率上这一现象更加明显。

(2)采用长联形式，会使桥梁结构整体性更好，有利于各墩之间协同抗震，比短联形式更具优势。

(3)地震作用下，长联桥梁的纵向和横向剪力表现为矮墩大，高墩小。短联桥梁的纵向剪力分布也符合上述规律，但横向剪力分布规律不明显。

(4)长联形式下的墩底最大纵向和横向弯矩要小于短联形式，且相比于短联，墩底弯矩分布更为均匀。

综上所述，针对山区桥梁所具有的两点特征，采用长联形式能提高桥梁结构的抗震性能，减小地震响应，相比采用短联更加有利。