浅述连续刚构桥发展概况及相关抗震分析

浅述连续刚构桥发展概况及相关抗震分析

潘晓波

山东格瑞特监理咨询有限公司山东威海264200

摘要：随着高速交通的迅速发展,行车要求也有相应的提高，例如要平顺舒适,而多伸缩缝的T型刚构已不能很好地满足要求。于是连续刚构出现了,并且很快得到较快的发展。其结构特点是梁体连续、墩梁固结,既保持了连续梁无伸缩缝、行车平顺的优点,又保持了T型刚构不设支座、不需转换体系的优点,方便施工,且有很大的顺桥向抗弯刚度和横向抗扭刚度,能满足特大跨径桥梁的受力要求。

关键词：连续刚构桥发展概况抗震分析

1刚构桥概述

刚构桥是指上部承重的梁、板与墩、台的柱式墙壁整体结合在一起的一种桥梁结构。二十世纪五十年代桥梁上大多采用钢筋混凝土结构,在小跨径板桥或梁桥中比较常用,最大跨径一般在20米左右。刚构桥是利用墩台与上部结构的固结构造,使跨中弯矩减小,同时在墩、台与梁结合处产生弯矩与推力,在同样通行荷载与使用同样建筑材料情况下,可以加大刚构桥的单跨跨径。

自1937年预应力混凝土桥在德国问世以来,在西欧德国法国、比利时等国发展较早,到二十世纪六十年代,随着高强混凝土与高强钢材的普及，预应力混凝土桥在世界上的各工业化强国得到广泛推广。据1974年统计资料：大跨度250米以下的预应力混凝土桥已占桥梁总数的60%,英国占52%,苏联占70%,德国占80%,美国占27%。预应力混凝土桥在世界各国得以大力发展主要是由于其刚度大、运营条件好、跨越能力较大、耐久性好、养护工作量少、造价比钢桥低这些优点。

我国从1956年开始发展预应力混凝土桥。缓慢发展了近十年,逐步在设计理论与施工中掌握预应力建桥技术。1966年第一次采用悬拼法施工的T型刚构桥石棉桥建成通车。1966年开始设计的广西柳州大桥为单跨跨径达124m的预应力混凝土T型刚构式桥,是我国最早利用挂篮进行逐段悬臂施工技术的大型桥梁。并且在施工前对该桥进行了大量科学试验项目。例如混凝土徐变系数值的测定、24根D5高强钢丝锚固体系F式锚具试验、挂篮的型式选择与荷载试验、预应力束的穿束试验、预应力损失的测定——摩阻损失与错具损失、挂篮施工中控制混凝土出现初始裂缝的技术措施等。详细的试验资料为设计与施工提供了充分的技术保证，设计中选择一系列精确的参数,进而确保永存预应力的正确性,这对任何预应力结构都是十分重要的。又如在施工中调节挂篮的变形，确保新浇的混凝土与前段已结硬混凝土之间不会出现初始裂缝等。

连续梁只有两端存在伸缩缝,利于行车,但是梁墩需要作临时固结和转换体系；同时需要设置大吨位盆式支座,这样造成的费用就高,并且养护工作量也会增大。所以连续刚构桥诞生了，从上世纪60年代开始，预应力混凝土刚构桥得以快速地发展，在这四十年中,预应力技术不断创新，预应力刚构桥的跨径从几十米发展到270米已是巨大的成果。大跨度预应力刚构桥的发展首先与当代世界各国经济发展有关,如高速公路的快速发展,河流通航要求的提高,对桥梁的使用荷载、跨度和使用性能等相应提出更高的要求。预应力技术的发展与普及、设计方法与施工技术的不断发展也相应地促进了刚构桥的发展。

随着大跨度预应力混凝土桥的发展,人们越来越关注结构安全度问题,目前国外研究重点有安全度的条件和基础；综合考虑弹塑性理论的结构安全度问题等。新“桥规”以概率理论为基础的极限状态设计方法,以可靠指标变量结构构件的可靠度,按分项系数的设计表达式进行设计。

2连续刚构桥抗震分析及现状

大跨度连续刚构桥将连续梁体与桥墩固结,提高了结构的整体性,有利于结构抗震；大跨度连续刚构桥跨越能力也比较强,在深山峡谷地区优势尤为明显。所以,桥梁工程师比较看好大跨度连续刚构桥。但与这种发展势头不相适应的是,有关大跨度连续刚构桥地震反应分析方面的研究工作做的较少,连续刚构桥桥型的抗震设计也缺乏足够的依据。

魏琴等(1994)针对连续刚构桥,釆用平面杆系单元建立有限元模型进行地震反应分析,其结论是：竖向地震激励对结构内力影响较小,而行波效应及桩-土-结构相互作用使结构内力、位移增长显著。

马坤全(1995)对高墩大跨径连续刚构桥的空间地震响应进行了分析,结果表明：相位差效应对结构反应不利,梁的横向刚度变化对桥的横向地震响应影响不大。

范立础等(1996)对五座连续刚构桥进行了地震反应分析,结果表明纵向地震作用和横向地震作用分别对低墩和高墩产生不利影响,并指出地震反应的控制截面在墩底,主梁根部和跨中。

郑史雄等(1997)对主跨200m的三跨连续刚构桥进行的多点激励地震反应分析表明：行波效应和多点激励对结构的反应影响很大,而且土层中行波波速的变化对结构截面的最大内力的影响非常复杂。

李忠献等(2003)基于行波激励下大跨度桥梁地震反应分析的方法,对一主跨62m的四跨预应力混凝土连续刚构桥进行了行波激励下地震反应的数值模拟,并与一致地震激励下的计算结果进行了比较,表明行波效应对连续刚构桥桥墩是有利的,对主梁则会产生不利影响,可认为一致地震输入模式可以控制桥缴的抗震设计,但不能控制主梁的设计。

周国良(2004)对某一高墩大跨径连续刚构桥进行了高墩与低墩的地震反应特点及桥墙、主梁的地震运动特点研究,结果表明：高墩在横桥向地震作用下的内力与位移反应较大,低墩在顺桥向地震作用反应较大,而且低墩发生破坏概率大于高墩；桥梁主梁的竖向位移反应峰值小于水平向位移反应峰值,而加速度相反。

周勇军(2007)对某一高墩大跨径弯连续刚构桥进行了线弹性的设计参数地震反应分析,分析结构表明影响高墩大跨径连续刚构桥地震响应的敏感性参数为墩高及下部结构的计算模式。

宋丹(2008)曾对某主跨200米的高墩连续刚构桥建立空间梁单元模型,进行多个地震动输入方向的弹塑性地震相应分析,发现结构在纵向2/3竖向地震动组合时受力最为不利,并建议此地震动组合为桥梁抗震设计的控制组合。

目前来说，对于大跨度连续刚构桥的抗震设计仍旧有些困难,因为针对其所相关的抗震设计理论还很不成熟,并且缺乏相关的规范。目前国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径和相对低墩的普通桥梁,高墩大跨径桥梁进行的抗震设计仍无规范可循。

1996年美国颁布的AASHTO规范(第16版)的抗震设计篇中规定,该规范只适用于主跨不超过152.4m的普通钢、混凝土梁与箱梁桥,不适用于斜拉桥、悬索桥、拱桥以及活动式桥。1993年的欧洲规范(Eurocode8)中没有规定主跨范围,可适用于主要受水平地震作用、具有竖直墙或接近竖直缴台体系的桥梁,如梁桥、拱桥、刚架桥、斜拉桥等,但悬索桥除外。日本道路桥梁规范(抗震设计篇)“适用于跨径小于200m的桥梁,对超过200m跨径的桥梁可以参考使用本篇有关规定”。

我国新颁发的《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)主要适用于单跨跨径不超过150m的混凝土梁桥、污工或混凝土拱桥。对单跨跨径超过150m的特大跨径桥梁,以及混凝土斜拉桥和悬索桥,只给出抗震设计原则,详细的抗震设计仍须作专门研究；《公路桥梁抗震设计细则》同时还指出,对于墩高大于40m,墩身第一阶振型有效质量低于60%,且结构进入塑性的高墩桥梁也应做专门研究。

3小结

国内外现行规范的使用范围有很大的局限性,墩高和跨度超过一定限值的桥梁缺乏足够的抗震设计依据。高墩大跨度桥梁的抗震设计目前还没有一个统一标准。而高墩大跨度连续刚构桥在桥梁工程中得到了广泛的应用,因此,它的抗震反应分析研究,全面掌握其地震响应规律,就显得非常重要,甚至刻不容缓。