大跨度小半径曲线连续梁桥地震响应分析

何建栋

(苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210017)

现代有轨电车线路灵活，对城市道路适应性强，为跨越城市快速路或重要构筑物常常会出现大跨度小半径曲线桥。

大量桥梁震害表明，桥梁支承连接部位损害严重，抗震总体设计时应加以重视，应选择较理想的抗震结构体系。对于大跨度小半径曲线桥可选的结构体系有连续梁桥、连续刚构桥及刚构-连续组合梁桥[1-6]。刚构-连续组合梁桥一般将中间墩采用墩梁固结形成刚构，边部设置支座形成连续梁，这种结构形式兼有连续梁桥和刚构桥两者的优点，在受力和使用性能上有一定的优势[7-10]。

大跨度小半径曲线桥由于平面曲线半径小、跨度大等因素使桥梁地震动力响应变得复杂[11-12]。为选择较理想的抗震结构体系，本文以一有轨电车线路特大桥为背景，主要研究不同结构体系的曲线梁桥的地震响应，采用反应谱法对不同结构体系的曲线梁桥在地震作用下的内力和位移进行分析。

1 工程概况

一段现代有轨电车线路受地形、地面建筑及规划条件所限，在高架段只能以半径R=200 m的曲线形式通过。该段线路设计速度为70 km/h，现代有轨电车设计活载的最大轴重为12.5 t。

该桥为跨绕城公路而设(见图1)，主跨为60 m，主梁采用预应力混凝土变高箱梁，典型断面见图2，全联结构均位于圆曲线上。受规划条件限制，两边跨分别为33.5 m和36.5 m。另外15#墩比16#墩高6 m，且15#墩有约4 m自由桩长，两主墩刚度相差较大(16#墩刚度是15#墩的4.3倍)，导致本桥严重不对称，故选择合适的结构体系对该桥抗震是至关重要的。

图1 桥梁总体布置(单位：m)

图2 桥梁典型断面(单位：cm)

通过计算，由于16#墩较低，采用连续刚构桥时，温度影响太大，16#墩受力不能满足规范要求，故针对连续梁桥和刚构-连续组合梁桥2种方案进行研究。

2 有限元模型

为准确分析该桥的地震响应，采用MIDAS/Civil建立全桥有限元模型，主梁、桥墩及基础均采用梁单元模拟，固定支座采用线性约束处理，活动支座采用恢复力模型模拟，桩基约束采用非线性弹簧模拟。

为选择较为理想的结构体系，针对连续梁桥和刚构-连续组合梁桥进行地震响应分析。结合该桥特点，建立3个模型进行深入分析:模型1,固定支座设置在16#墩处的连续梁桥模型；模型2,16#墩采用墩梁固结，15#墩设置活动支座的刚构-连续组合梁桥模型；模型3,15#墩采用墩梁固结，16#墩设置活动支座的刚构-连续组合梁桥模型。模型2与模型3主要区别在于2个桥墩的刚度。

3 桥梁动力特性

从抗震设计角度分析，曲线桥由于“弯扭耦合”，将产生面内振型和面外振型的耦合。在纵向地震作用下，该类桥梁主墩将产生较大的横向剪力、扭矩和横向弯矩。在横向地震作用下，主墩将产生较大的纵向剪力、扭矩和纵向弯矩。

桥梁前10阶自振频率及振型计算结果见表1。可知：模型1和模型2前10阶振型略有差异;从前3阶看，模型2横向累计参与质量较多，纵向较少；模型3与前2个模型有较大的差异。模型3结构更柔，第1阶自振周期较大，前2阶振型均发生在15#墩上，且产生内弯。在地震作用下，15#墩会优先承受纵横向弯矩和扭矩，对结构抗震不利。

表1 桥梁前10阶自振频率及振型

4 地震响应分析

桥址区地震动峰值加速度为0.1g，地震基本烈度为7度，特征周期Tg=0.35 s。本桥位于半径为200 m圆曲线上，地震激励角分别为0°，22.5°，45°，67.5°，90°，112.5°，135°，157.5°，180°,取E1水平设计加速度反应谱对地震响应进行计算[13-14]。

4.1 内力响应

控制截面内力一般位于桥墩底部，针对不同激励角度，15#，16#墩底弯矩和扭矩分别进行计算，计算结果分别见图3和图4。

图3可知:3个模型横向弯矩基本相当，纵向弯矩差异较大。模型1(连续梁)纵向弯矩最大，达到18 930 kN·m，为最不利情况;模型2(16#墩固结)与模型3(15#墩固结)纵向弯矩基本相当。

图3 墩底纵横向弯矩变化曲线

图4 墩底扭矩变化曲线

图4可知:在激励角为67.5°时扭矩值达到最大，3个模型变化规律基本一致。模型1(连续梁)最大，模型2(16#墩固结)次之，模型3(15#墩固结)最小。

从内力响应分析，弯矩变化规律基本与剪力变化规律一致，模型1(连续梁)属于最不利情况，且需要设置一组抗震性能要求较高的固定支座。模型2(16#墩固结)相比模型3(15#墩固结)受力状态较好。

4.2 位移响应

位移控制一般位于整联结构的跨中，不同激励角时计算结果见图5。由图可知:纵横向位移均以模型3(15#墩固结)最大，模型1(连续梁)次之，模型2(16#墩固结)最小。

图5 中跨跨中纵横向位移变化曲线

从位移响应分析，模型3(15#墩固结)由于15#墩桥墩较柔，位移响应较大，对轨道结构不利;模型1(连续梁)虽固定支座设置在16#桥墩上，远离固定支座端位移达到23 mm，对轨道结构不利;模型2(16#墩固结)最不利位置位移约13 mm，位移控制较好，为较为有利的模型。

5 结论

不同的结构体系对于曲线连续结构桥梁的自振特性有较大的影响。采用连续梁结构体系，墩梁通过支座连接，在地震动作用下支座易损坏，整个结构稳定性较差[15]。在主墩刚度相差较多的情况下，连续刚构体系适应性较差，采用刚构-连续组合的曲线梁桥可以获得较好的内力响应及位移响应，有利于桥梁的抗震。

由于大跨度、小曲线梁桥的复杂性，从该现代有轨电车大桥地震响应得出，位移响应最大时和内力响应最大时分别对应不同的激励角度，所以在考虑水平地震作用的时候，应按不同的激励角度进行分析。对刚构-连续组合曲线梁桥采用固结刚度较大的桥墩，可以提高整个桥梁的刚度，减少整体的位移，增加桥梁的稳定性。

总体上来说，在横桥向地震波激励下大跨度、小曲线梁桥横向位移、扭矩和横向弯矩最大，但同时也会产生较大的纵向位移和纵向弯矩。在顺桥向地震波激励下该类桥梁纵向位移和纵向弯矩最大，但同时也会产生较大的横向位移和横向弯矩。