简支梁桥改造前后抗震性能对比分析

黄香健 韦宗志

摘要：针对改造前后简支梁桥与整体桥的抗震性能分析，文章采用Midas Civil专业有限元软件分别建立了简支梁桥与整体桥的有限元模型，对比了两者在主梁、桥台和桩基的地震特性。研究结果表明：旧桥改造后，整体桥的振动频率会大大提高，整体刚度明显较简支梁桥大，可有效保护主梁的落梁现象，很好地抵抗地震荷载;改造后的整体桥主梁纵向变形和台顶加速度大大减小，表现出更好的抗震性能;改造后整体桥的桥台、主梁与桩基固结在一起，在梁端和台顶会出现较大的弯矩，使得跨内弯矩减小，主梁的受力更加合理均匀，特别适合于简支梁桥的改造。同时整体结构刚度的提高，使得在地震作用下的桩基弯矩极大，更容易造成桩基破坏。研究结果可为传统有缝桥的改造提供参考。

关键词：简支梁桥;整体桥;旧桥改造;抗震性能;有限元分析

0 引言

近年来，整体桥在我国得到了越来越广泛的发展，新建的整体桥逐渐增多，同时通过旧桥改造而成的整体桥也逐渐增多，这主要由于整体桥具有整体性好、耐久性好、行车舒适性及防灾减灾能力强等优势，是一种符合全寿命周期成本的绿色桥梁[1-2]。目前，国内修建的传统有缝桥经过常年汽车荷载的冲击及路面污泥杂质较多等因素影响，容易造成桥梁伸缩缝的堵塞与伸缩装置的损坏，主梁无法自由释放升、降温荷载引起的伸缩变形，已造成大量传统有缝桥的严重损坏，甚至在伸缩缝处引起跳车现象，严重影响了行车的舒适性和安全性[2-4]。

整体桥完全取消了伸缩缝和伸缩装置，避免了因伸缩缝与伸缩装置损坏引起的行车不利问题，早已在北美、日本、澳大利亚、欧洲等地区和国家得到了广泛使用[3-5]。整体桥的桥台、主梁与桩基整体浇筑在一起，在升、降温影响下，主梁的伸缩变形主要由台下桩基础承受，然而桩基吸收变形的能力仍是有限的，这使得整体桥无法修建得很长。目前国内已建的最长整体桥为永春上坂大桥，总长128.20 m。当前，国内修建的传统桥梁主要以中小桥为主，大部分旧桥的伸缩缝与伸缩装置已出现了较为严重的破坏，将其改造为整体桥可解决伸缩缝与伸缩装置问题，是改善行车舒适性的有效方法。

当前整体桥在桩基-土相互作用、桥台-桩基-土相互作用拟静力试验的研究已大量开展，但针对整体桥在地震荷载作用下的力学性能研究还不够完善。为此，本文将基于国内某座传统有缝桥，将其改造为整体桥，分析两者在地震荷载作用下的动力特性及其抗震性能，为今后抗震区的旧桥改造工程提供参考。[=XQS（]简支梁桥改造前后抗震性能对比分析/黄香健，韦宗志[=JP2]1 简支梁原桥及改造

某简支梁桥为三跨钢筋混凝土空心板梁桥，每跨为16 m，共48 m，桥面宽30.00 m（见图1）。车辆荷载按汽车-20级、挂车-100级进行设计。主梁采用C50混凝土，下部结构（包括盖梁、墩、桥台、桩基）采用C25混凝土。采用埋置式桥梁，台下布置了三根圆形桩基，桩径为1.0 m，桥墩采用钢筋混凝土双柱式圆形桥墩，桥墩直径为1.0 m，桥墩下布置桩基支承，桩径为1.2 m。主梁内布置了715.2 mm的高强度低松弛预应力钢绞线，其标准强度fpk=1 860 MPa，弹性模量为Es=1.95×105 MPa。

在简支梁桥的基础上，取消全桥的伸缩缝与伸缩装置，将桥台与主梁整体现浇，同时墩上纵向相邻主梁也进行整体现浇，形成全无缝的整体桥（见图2）。

2 有限元模型的建立

2.1 模型建立

采用Midas Cival 2019軟件分别建立了改造前的简支梁桥和改造后的整体桥三维有限元模型。原桥和整体桥的主梁、桥台及其下桩基、盖梁、桥墩均采用梁单元模拟，全桥模型采用梁格法建立。主梁按12片梁组成，每片梁通过虚拟横梁进行连接，桥台也采用梁格法建立，也分12片。改造前，纵向相邻两片主梁彼此独立，支承在桥墩上，主梁端部支承于桥台上（见图3）。改造后，桥墩上的主梁之间现浇形成一个整体，同时桥台与主梁也现浇形成一个整体（见图4）。

2.2 边界条件及荷载施加

有限元模型中，原桥的主梁与桥台采用弹性连接，释放纵向水平约束DX和绕梁端转动RY，而主梁与盖梁同样采用弹性连接，仅释放绕梁端转动RY，形成简支梁。每片主梁之间采用虚拟横梁连接模拟湿接缝，同时释放虚拟横梁梁端约束，每片桥台也采用虚拟横梁连接，桥台与桩基采用刚性连接。桥墩与盖梁、桥墩与桩基均采用刚性连接模拟。改造成整体桥后，桥台与主梁采用刚性连接，中间主梁与盖梁采用铰接，释放绕梁端转动RY，其余约束与原桥相同。

此外，原桥与改造后的整体桥桥台均施加了静止土压力，同时整体桥桥台还考虑了被动土压力影响，采用仅受压的非线性土弹簧模拟[7]，桩-土相互作用采用现行的《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）[8]中的m法进行模拟，土体水平抗力系数的比例系数m取值为25 000 kN/m4。二期铺装荷载以均布荷载4.7 kN/m的形式均匀施加在每一片主梁上，最后将结构自重和二期荷载转化为质量形式。

2.3 地震时程函数

简支梁原桥的场地类别为二类，根据现行《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[9]，其特征周期在0.4 s，Kobe波的卓越周期在0.2 s左右，峰值加速度的卓越周期为0.4 s，与原桥场地土的特征周期相近，满足选用条件。根据模态分析，改造后桥梁结构的基本周期约为0.37 s，与Kobe波卓越周期0.4 s相近，故选用Kobe波可得到结构在地震作用下的最大反应。所选Kobe波包括地震记录最强部分，持续时间为25 s，如下页图5所示。

3 时程结果分析

3.1 自振特性分析

图6和图7分别给出了简支梁桥和整体桥第一和第二阶模态。旧桥改造后，整体桥的第一阶和第二阶振动频率大大提高了，分别是简支梁桥的2.55倍和3.82倍，可见整体桥的整体刚度明显较简支梁桥大。简支梁桥的第一和第二阶均出现了主梁纵向飘移，主梁发生了落梁现象。而旧桥改造后，整体桥的第一和第二阶为横向侧弯，由于桥台与主梁固结，有效地保护了主梁的落梁现象，可很好地抵抗地震荷载。

3.2 地震时程响应分析

3.2.1 主梁地震时程响应

图8对简支梁桥和整体桥的梁端纵向位移时程曲线进行了比较。从图8可知，简支梁桥的主梁纵向变形非常大，最大为57.5 mm，也是出现落梁的原因，改造成整体桥后可以有效约束主梁的纵向变形，最大为0.4 mm，改造后主梁的纵向变形减小了99.3%，表现出更好的抗震性能。

图9对简支梁桥和整体桥的梁端弯矩时程曲线进行了比较。从图9可知，简支梁桥的梁端弯矩基本为0，这是由于梁端铰接的缘故。而整体桥由于改造后，桥台与主梁固结，在梁端会出现较大的弯矩，最大正弯矩为60.5 kN·m，最大负弯矩为-44.3 kN·m，这也是整体桥区别与简支梁桥的重要受力特征之一。

图10对简支梁桥和整体桥的主梁跨中弯矩时程曲线进行了比较。从图10可知，简支梁桥的跨中弯矩相对较整体桥的大。简支梁桥最大为29.1 kN·m，整体桥最大为11.5 kN·m，较简支梁桥减小了60.5%。由于整体桥主梁与桥台固结，梁端出现了较大负弯矩，从而使得跨内的弯矩值大大减小，主梁的受力更加合理均匀，特别适合于简支梁桥的改造。

3.2.2 桥台地震时程响应

图11对简支梁桥和整体桥的台顶纵向加速度时程曲线进行了比较。从图11可知，简支梁桥的台顶纵向加速度明显较整体桥大，前者最大为3.0 g，后者最大为0.3 g，改造成整体桥后减小了90%。由于桥台与主梁固结可有效约束台顶的加速度变化，表现出更好的抗震性能。

图12对简支梁桥和整体桥的台顶弯矩时程曲线进行了比较。从图12可知，整体桥的台顶弯矩极大，最大为28.9 kN·m，简支梁桥的台顶弯矩很小，最大仅为0.5 kN·m，改造后台顶弯矩增加了98.3%，与梁端弯矩相似，主要由于桥台与主梁固结，刚度变大，这同样也是整体桥区别于传统有缝桥受力的重要特征之一。

3.2.3 桩基地震时程响应

图13对简支梁桥和整体桥的桩顶纵向位移时程曲线进行了比较。从图13可知，简支梁桥的桩顶纵向位移很大，最大达到39.3 mm，而改造后整体桥的桩顶变形很小，最大仅为3.2 mm，减小了91.9 mm，说明桥台与主梁的固结对桩基的变形有很好的约束作用。

图14对简支梁桥和整体桥的桩顶弯矩时程曲线进行了比较。从图14可知，改造前、后桩身最大弯矩值分别为17.4 kN·m、242.1 kN·m，改造后比改造前增大了1 291.4%。由此可知，改造后的整体桥主梁、桥台与桩基固结，结构刚度大大提高，使得在地震作用下桩基弯矩极大，更容易造成桩基破坏。

4 结语

（1）旧桥改造后，整体桥的第一阶和第二阶振动频率大大提高，整体刚度明显较简支梁桥大，可有效保护主梁的落梁现象，很好地抵抗地震荷载。

（2）改造后整体桥主梁的纵向变形减小了99.3%，表现出更好的抗震性能。

（3）整体桥由于改造后桥台与主梁固结，在梁端会出现较大的弯矩。

（4）整体桥主梁与桥台固结，梁端出现了较大负弯矩，使得跨内的弯矩值减小，主梁的受力更加合理均匀，特别适合于简支梁桥的改造。

（5）由于整体桥桥台与主梁固结可有效约束台顶的加速度变化，从而表现出更好的抗震性能。

（6）整体桥桥台与主梁固结，刚度变大，使得桥台的弯矩也极大地增加。

（7）改造后的整体桥主梁、桥台与桩基固结，结构刚度大大提高，使得在地震作用下桩基弯矩极大，更容易造成桩基破坏。

参考文献：

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[8]JTG D63-2007，公路桥涵地基与基础设计规范[S].

[9]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].