横向陡坡地形矮高墩梁桥地震反应参数分析

危艳

厦门大学 嘉庚学院，福建 厦门 363105

0 引言

近年来，我国加快推进西部山区高速公路和铁路建设，在山区修建的高等级道路越来越多。在横向陡坡地形上，通常采用大高差桥墩以适应不利地形，避免生态破坏，降低工程成本[1-3]。这些桥梁一般上部是连续梁桥、刚构桥等规则的常规结构，通常被当作普通桥梁对待，对于桥墩只提取竖向力和弯矩进行单墩承载力和稳定性验算，忽视了矮、高墩水平刚度的不均衡性可能引发的扭转等问题。横向陡坡地形上桥梁的桥墩水平刚度不一致，可能引起墩顶位移的不同步和上部结构的水平扭转，进而导致主梁结构破坏[4-10]。本文采用动态时程法分析横向陡坡地形矮、高墩对桥梁地震响应的影响。

1 模型建立

某山区桥梁桥面宽12.25 m，上部结构采用6 ×30 m预应力混凝土连续T梁，下部结构采用柱式墩、桩基础，桥型布置如图1所示(图中单位为cm)。

图1 梁桥纵断面图

桥梁横桥向的2根桥墩存在高度差，1#、5#桥墩的高墩高8 m，矮墩高4 m。2#、3#、4#桥墩的高墩高20 m，矮墩高10 m。采用Midas-Civil建立此连续梁桥的有限元模型(陡坡模型)如图2所示，3#桥墩横断面模型如图3所示。对比模型的墩高取陡坡模型平均墩高，如图4所示。

图2 陡坡模型 图3 3#桥墩横断面(陡坡模型) 图4 3#桥墩横断面(对比模型)

2 指标选取

此桥所在地区的场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为6度，基本地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s。选取El Centro波、Taft波和Loma Prieta波等3条常用的实际地震波[11-14]，并将加速度峰值统一调整为0.05g，位移时程也作相应调整。通过模型计算，在3种波作用下基准模型和对比模型的墩顶位移、桥墩剪力、墩底弯矩时程曲线如图5～7所示(仅展示3#墩墩顶纵向位移时程曲线)。

a)基准模型 b) 对比模型图5 El Centro波作用下3#桥墩墩顶纵向位移时程曲线

a)基准模型 b) 对比模型图6 Taft波作用下3#桥墩墩顶纵向位移时程曲线

a)基准模型 b) 对比模型图7 Loma Prieta波作用下3#桥墩墩顶纵向位移时程曲线

基准模型和对比模型的墩顶最大位移、桥墩最大剪力、墩底最大弯矩及基准模型与对比模型的对应参数比如表1～6所示(以墩高差最大的3#墩为例)。

表1 纵向地震作用下3#桥墩墩顶的最大纵向位移及最大纵向位移比

表2 横向地震作用下3#桥墩墩顶的最大横向位移及最大横向位移比

表3 纵向地震作用下3#桥墩最大纵向剪力及最大纵向剪力比

表4 横向地震作用下3#桥墩最大横向剪力及最大横向剪力比

表5 纵向地震作用下3#桥墩墩底最大纵向弯矩及最大纵向弯矩比

表6 横向地震作用下3#桥墩墩底最大横向弯矩及最大横向弯矩比

由表1～6可以看出：桥墩横向刚度差异对墩顶最大位移、桥墩最大剪力、墩底最大弯矩的影响较大，对比模型和基准模型各参数的最大比值均超过15%。选取这3个较为敏感的指标进行参数分析，探讨桥墩横向刚度差异对地震响应的影响规律。

3 参数分析

墩顶位移、桥墩剪力、墩底弯矩均与桥墩的刚度有关，故选取矮、高墩的刚度比作为参数进行分析[15-20]。

为了研究矮、高墩刚度比对敏感参数的影响程度，调整3#桥墩的矮、高墩刚度比例：固定矮墩的高度为10 m，将高墩高度依次调整为10、12、14、16、18、20 m，桥墩线刚度与墩高的3次方成反比，故矮、高墩的刚度比分别为1.00、1.73、2.74、4.10、5.83、8.00。

1)墩顶位移

在3种波作用下，3#桥墩的矮、高墩墩顶位移随矮、高墩刚度比的变化曲线如图8所示。

a)纵向地震 b) 横向地震图8 横、纵向地震作用下3#桥墩墩顶位移随刚度比的变化曲线

由图8a)可知：高墩的纵向位移随矮、高墩刚度比的增大逐渐增大，刚度比为1.00～3.00时增长速率较大，随后增长速率变小。因刚度不变，矮墩位移变化较小，矮、高墩的纵向位移差随刚度比的增大而增大，即矮、高墩在纵向趋于不同步，盖梁出现扭转。因高墩的刚度随矮、高墩刚度比的增大而减小，矮墩的刚度不变，其总刚度减小，故在横向地震作用下，随着刚度比的增大，矮、高墩的横向位移增大，矮、高墩的横桥向位移相差不大，趋于同步，如图8b)所示。

2)桥墩剪力

在3种波作用下，3#桥墩的剪力随矮、高墩刚度比的变化曲线如图9所示。

由图9a)可知：高墩所承担的剪力随矮、高墩刚度比的增大而逐渐减小，刚度比为1～3时减小速率较大，随后减小速率变小。由于剪力在矮、高墩之间是按刚度分配的，故矮墩剪力逐渐增大。由图9b)可知：在横向地震作用下，桥墩横向剪力随刚度比变化趋势与纵向地震作用下纵向剪力变化趋势一致，但横向地震作用下桥墩的横向剪力大于纵向地震作用下桥墩的纵向剪力。

a)纵向地震 b) 横向地震图9 横、纵向地震作用下3#桥墩剪力随刚度比的变化曲线

3)墩底弯矩

在3种波作用下，3#墩的矮、高墩墩底弯矩随矮、高墩刚度比的变化曲线如图10所示。

a)纵向地震 b) 横向地震图10 横、纵向地震作用下3#桥墩墩底弯矩随刚度比的变化曲线

由图10a)可知：高墩的弯矩随矮、高墩刚度比的增大逐渐减小，刚度比为1～3时减小速率较大，随后减小速率变小。由于弯矩在矮、高墩之间是按刚度分配的，故矮墩弯矩逐渐增大。由图10b)可知：在横向地震作用下，桥墩横向弯矩随刚度比变化趋势与纵向地震作用下纵向弯矩的变化趋势一致。

4 结语

对某山区双柱墩梁桥在横向陡坡地形和常规地形下的地震反应进行对比分析，发现桥墩横向刚度差对墩顶位移、桥墩剪力、墩底最大弯矩的影响较大。分析了横向陡坡地形下双柱墩梁桥在不同矮、高墩刚度比情况下的地震响应，结果表明：高墩位移随矮、高墩刚度比的增大而逐渐增大，剪力和弯矩逐渐减小；矮墩的位移逐渐减小，剪力和弯矩逐渐增大；矮、高墩在纵向的位移差随刚度比的增大而增大，即矮、高墩在纵向位移趋于不同步，盖梁出现扭转。因此须对横向陡坡地形上的桥梁进行抗震设计研究，保证桥梁结构的安全性。