连续刚构桥抗震性能影响因素分析★

张泽宇 周 逸 张森华*

(1.贵州高速集团有限公司，贵州 贵阳 550000;2.重庆亚派桥梁工程质量检测有限公司，重庆 401121; 3.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

连续刚构桥是一种组合体系结构，其优点在于变形小、结构刚度大、行车平顺舒适等。但其抗震理论的发展速度较慢，现有抗震设计规范不适用于跨径大于150 m的大跨连续刚构桥，这使得在设计阶段必须对其抗震性能给予足够的考量。

目前，许多学者对大跨度连续刚构桥的动力性能进行了研究。其中对高墩大跨连续刚构桥的地震响应的研究为设立桥梁抗震设防标准的确定提供了理论依据［1-3］;范立础等人对地震波输入方向的问题进行了研究，并提出了大跨度桥梁抗震设计的方法［4，5］;潘强等对高墩对连续刚构桥地震反应及行波效应进行了研究［6，7］;何钦象等人提出了大跨径连续刚构桥抗震性能评估方法［8］;王东升等对地震波输入的最不利方向进行了分析研究［9］。但对于桥墩高度对连续刚构桥抗震性能的影响还缺乏系统性研究。

为此，作者在目前的研究成果的基础上，基于Midas有限元程序，讨论了桥墩高度对于连续刚构桥抗震性能的影响，对横、纵桥向地震的影响下对桥梁的动力响应、桥梁受力和桥梁位移进行分析，以期为评估相关类型桥梁的抗震性能提供依据。

1 桥梁结构有限元模型

基于Midas-civil建立了考虑边跨支座处的弹性约束作用以及基础和地基的影响的数值模拟有限元模型，从而分析桥梁在横桥向以及纵桥向地震波影响下的动力特征。本桥跨径布置为95 m+180 m+95 m，桥面横桥向净宽为11.5 m。

图1 全桥总体布置图

全桥总体布置图如图1所示。主梁为变截面箱梁，箱梁采用单箱单室结构，材料为C50混凝土。桥墩高度为15 m～100 m。为使模型贴近实际情况，基于“m法”计算了等效的土弹簧刚度，并将其作为实际土层的等效替换。全桥有限元模型如图2所示。

建立的有限元模型的参数根据实际结构确定，地震波的参数根据相关规范进行选取。根据相关抗震设计规范，取抗震烈度为8级，采用Midas提供的典型的地震波进行动力响应分析，地震作用角度分别为0°及90°，周期折减系数为1，峰值加速度为0.2g。

图2 桥梁有限元模型

2 抗震性能分析

考虑到双肢薄壁墩在大跨连续刚构桥中的广泛应用，研究了采用该截面形式墩的墩高对连续刚构桥的地震响应特性的影响。

2.1 对自振特性的影响

根据有限元方法的计算结果，不同墩高对应的结构振动频率如表1所示。由表1可知，对于相同高度的桥墩而言，其自振频率与振动阶次成正比。对于相同的自振阶次，自振频率与墩高成正比。这是由于墩高下降引起的桥梁整体结构刚度下降。故在连续刚构桥中采用高墩时，需要考虑由于刚度下降对结构整体地震响应的影响。

表1 不同阶次振型及频率

2.2 梁跨中位移的影响

根据计算结果，在纵桥向地震波作用下，桥梁结构在跨中仅产生极小的竖向和一定的纵桥向位移。在横桥向地震波作用下，桥梁结构在跨中截面处存在较大横桥向位移。此外墩的高度对桥梁结构跨中截面处的纵桥向和横桥向位移有一定影响。采用不同墩高时，对应的桥梁跨中截面顺桥向、横桥向位移如图3所示。

图3 横桥向地震波作用下不同桥墩高度跨中截面位移图

图4 横桥向地震波作用下不同桥墩高度墩顶截面位移图

由图3可见，桥梁跨中截面横桥向位移随墩高的增长呈线性增长，增长速度快且稳定。但随着墩高的增长，桥梁跨中截面纵桥向位移增长较慢，且纵桥向位移的增长速度随墩高的增长而降低。由此可知，桥墩高度的增加会增大梁体在地震作用下横向倾覆的可能性，在采用高墩时应注意增大桥墩的横桥向刚度，以减少地震作用下的横桥向位移。

2.3 对墩顶位移的影响

墩高对于墩顶截面位移的影响与其对于跨中截面的影响类似，在纵桥向地震波作用下，桥梁结构在墩顶仅产生极小的竖向和一定的纵桥向位移，不产生横桥向位移。而在横桥向地震波作用下，桥梁结构在墩顶截面处不产生竖向和纵桥向位移，而存在较大的横桥向位移，见图4。易知地震作用不会引起桥梁产生竖向的，而会产生横桥向和纵桥向的位移。并且墩的高度对桥梁结构墩顶位移有一定影响。

由此可知，桥墩高度的增加会增大梁体在地震作用下横向倾覆的可能性，在采用高墩时应注意增大桥墩的横桥向刚度，以减少地震作用下的横桥向位移。

2.4 对墩顶内力的影响

采用各高度桥墩的桥梁的墩顶截面内力如图5所示。

图5 不同桥墩高度墩顶内力图

对于高度不同的桥墩，纵桥向地震波引起的墩顶剪力均小于横桥向地震波引起的墩顶剪力，但两者差异较小，且两者引起的墩顶截面剪力与墩高的关系类似。同样对于墩顶截面的弯矩而言，其弯矩随桥墩高度的增加先减后增，但其转折点是桥墩高度为85 m时，较墩顶剪力曲线的转折点更大。故可以通过计算找到对地震作用响应最小的桥墩高度，以便减小包括墩顶剪力和墩顶弯矩在内的墩顶弯矩，进而改善梁墩固结处的受力情况。

2.5 对墩底内力的影响

桥墩高度不同时，桥梁的墩顶内力如图6所示。墩底剪力随桥墩高度改变的变化规律与墩顶内力的变化规律相似。对于高度不同的桥墩，纵桥向地震波引起的墩顶剪力均小于横桥向地震波引起的墩顶剪力，但两者差异较小，且两者引起的墩顶截面剪力与墩高的关系类似。

对于墩底弯矩而言，纵桥向地震波引起的墩底弯矩和横桥向地震波引起的墩底弯矩随桥墩高度改变的变化规律相似。不同于墩顶截面弯矩变化规律，横桥向地震波引起的墩底截面弯矩远大于由纵桥向地震波引起的墩底截面弯矩，故在进行桥墩设计时，应注意增大桥墩在横桥向的抗弯刚度。

图6 不同桥墩高度墩底内力图

3 结语

1)对于相同的自振阶次，结构自振频率与桥墩高度成正比，故在连续刚构桥中采用高墩时，需要考虑由于刚度下降对结构整体地震响应的影响。

2)桥墩高度的增加会增大梁体在地震作用下横向倾覆的可能性，在采用高墩时应注意增大桥墩的横桥向刚度，以减少地震作用下的横桥向位移。

3)通过计算找到对地震作用响应最小的桥墩高度，可减小包括墩顶剪力和墩顶弯矩在内的墩顶弯矩，进而改善梁墩固结处的受力情况。

4)横桥向地震波引起的墩底截面弯矩远大于由纵桥向地震波引起的墩底截面弯矩，故在进行桥墩设计时，应注意增大桥墩在横桥向的抗弯刚度。

5)通过上述研究，定量地讨论了桥墩高度对连续刚构桥抗震性能的影响程度，分析了连续刚构桥动力特性的变化规律;计算所得结论有助于了解连续刚构桥的动力特性以及对连续刚构桥设计进行针对性优化。