桥隧相连超高墩连续刚构桥地震响应特性研究

桥隧相连超高墩连续刚构桥地震响应特性研究

张靖

四川省交通勘察设计研究院有限公司  四川省成都市  610017

摘要：近些年我国在西南地区修建了大量跨越山谷、沟壑的桥隧相连超高墩连续刚构桥。与带引桥的常规连续刚构桥不同，这类桥梁的主梁与刚度很大的隧道直接相连，在纵向地震过程中的碰撞响应更为突出。通过对以往震损桥梁的研究可以发现，碰撞是导致桥梁损伤甚至倒塌的关键因素之一。目前针对常规连续梁桥的地震响应碰撞问题的研究较多，如提出邻梁碰撞的碰撞弹簧刚度约为.5倍的较短主梁轴向刚度；石岩等通过非线性时程分析方法研究了横桥向碰撞对城市高架桥地震响应的影响，结果表明横桥向偏心碰撞会放大桥墩的地震需求；缆索限位装置的不同参数对降低纵桥向邻梁碰撞响应的影响。基于此，对桥隧相连超高墩连续刚构桥地震响应特性进行研究，以供参考。

关键词：桥隧相连；连续刚构桥；超高墩；地震响应；碰撞响应

引言

随着中国中西部交通的发展，山区桥梁在山谷等复杂地形上发挥了重要的桥梁作用。由于山区地形的具体特点，桥梁相邻桩身之间的差异尤为显着，中部和西部地区地震频繁。

1概述

我国西部属高原及山区地形,地震断层分布广泛可延绵几百公里甚至数千公里,目前已经建设较多连续刚构桥,部分临近地震断层。桥梁纵桥向走向与断层走向可能存在一定相交角度,在实际抗震分析中,往往忽略该夹角的存在,简单地将近断层地震动记录沿纵桥向或横桥向输入,这与桥梁实际受到的地震动作用显然不同。从文献调研看,国内外专家、学者进行了若干地震波输入角度对结构地震反应影响的研究,涉及建筑结构、大型岩体洞室群和输电塔-线体系等。在桥梁抗震方面,研究地震动不同输入方向对大跨度斜拉桥位移和内力反应的影响。考虑了不同地震动强度指标和地震动输入方向对斜交桥地震反应的影响。建立了斜拉桥弹塑性有限元模型,利用非线性时程法分析水平地震动输入方向及竖向地震动对桥梁地震反应的影响。

1、有限元模型建立

1.1碰撞单元选取

如图1所示采用Kelvin模型建立考虑碰撞响应的分析模型，Kelvin模型是由阻尼器并联线性弹簧后，再通过串联的方式与间隙耦合来模拟碰撞。其中用阻尼器模拟碰撞过程中能量的损失，用线性弹簧的刚度模拟碰撞过程的碰撞刚度，用间隙模拟伸缩缝间隙。当碰撞物体相对位移小于伸缩缝间隙时，阻尼器与弹簧不发挥作用；当相对位移大于伸缩缝间隙时，两物体发生碰撞，接触单元起作用。碰撞力－位移的数学表达式见式（1）：

式中：Δ为结构之间的初始间隙；ΔG为结构之间的相对位移；ｋ为伸缩缝处的接触刚度。

图1　Kelvin模型

阻尼的大小见式（2）和式（3）：

式中：ｅ为碰撞恢复系数，此处取0．65；ξ为阻尼比；m1，m2分别为碰撞结构的质量。

1.2模型介绍

以（80＋120＋80）m三跨超高墩连续刚构桥为研究对象，其主梁为预应力混凝土变截面箱形梁，主梁根部梁高7.3m，跨中部梁高3m，箱梁高度按1.8次抛物线变化；箱梁顶板宽13.25m，底板宽7m，主墩采用变截面矩形空心墩，1号、2号墩墩高均为70m。利用ＡＮSＹS有限元软件，建立分析模型。模型一为不考虑碰撞的超高墩连续刚构桥分析模型；模型二为超高墩连续刚构桥与引桥碰撞分析模型；模型三为超高墩连续刚构桥与桥台碰撞分析模型。模型中主梁与桥墩均采用ＢＥＡM3单元模拟，通过耦合墩顶节点和梁底节点全部自由度的方式模拟墩梁固结。模型二中引桥为2×40m先简支后连续的结构形式，主梁为预装配式Ｔ型截面梁，固定墩为墩高18m的矩形空心墩。模型三中由于桥台直接嵌入山体内，山体的质量远大于桥梁结构的质量，梁与桥台的碰撞可以简化为梁与固定点的碰撞。接触单元皆采用COMBIN40单元，其中GAP取伸缩缝间隙（本文为15cm）、阻尼c按式（2）计算、碰撞刚度ｋ取接触刚度的5倍以上。注：截面尺寸单位为cm。

主墩剖面图1.3地震波选取

选取山区常见的Ⅰ、Ⅱ类场地地震波作为地震动输入，如表1所示。将加速度峰值均调整为0．35g，分析场地类型和墩高对主桥地震响应的影响，地震波的加速度反应谱如图3所示。

表1　选取的地震波

图3　加速度反应谱

2桥梁地震响应分析

2.1桥墩位移时程

研究对象均为高墩结构的刚构桥，在地震作用下，高墩结构桥梁的墩身沿行车方向产生的最大水平位移，可能出现在墩顶或1／2处墩高位置。因此，设定地震波加速度峰值的区间范围为0.1g～1.2g，进行逐级加载，分别给出RC墩、CFS－1墩及CFS－2墩这不同高墩结构对应的刚构桥在墩顶和1／2处墩高的位移时程曲线，判断在行车方向产生最大水平位移的墩身节点。位移时程曲线对比如图4所示。

图4

图4　墩顶与1／2墩高处位移时程曲线对比图由图5可知，不同结构形式高墩的刚构桥墩顶与1／2处墩高位置的位移均随加速度峰值的增大而增大。在相同的加速度峰值下，同种高墩结构的刚构桥在墩顶处和1／2处墩高位置的最大位移出现在不同时刻，墩顶处最大位移出现时刻早于1／2处墩高位置，1／2处墩高位置的位移在地震动作用几秒后产生。在地震波加速度峰值较小时，2种新型高墩结构的位移最大值，无论在墩顶处还是1／2处墩高位置，数值都较为接近，且均明显大于RC墩；在加速度峰值由0.1g向1.2g不断增大的过程中，不同结构的高墩，其墩顶以及1／2处墩高位置的位移最大值均逐渐增大，且在数值上逐渐接近。在相同时刻，1／2处墩高位置的行车方向最大水平位移均小于墩顶处。

2.2　墩底弯矩时程

地震波加速度峰值由0.1g逐级加载到1.2g，RC墩、CFS－1墩以及CFS－2墩不同高墩结构刚构桥的墩底弯矩时程曲线对比如图5所示。

图5截面形式桥墩墩底弯矩时程曲线对比图

由图3可知，不同结构形式高墩的刚构桥墩底弯矩均随加速度峰值增大而增大。加速度峰值相同时，刚构桥的墩底最大弯矩出现时刻不同，RC墩刚构桥的墩底最大弯矩出现时刻比CFS－1和CFS－2墩刚构桥滞后几秒，但在数值上，RC墩刚构桥的墩底弯矩比CFS墩刚构桥大很多，且两者墩底弯矩的差距随加速度峰值的增大而增大。

3桥墩易损性分析

3.1损伤指标

由于梁体的约束和相邻高墩的相互影响，使得多跨高墩连续刚构桥动力响应复杂，但是当前对旋转地震动作用下多跨高墩桥梁动力特性的相关研究开展仍然较少，更缺少适用于旋转地震动作用下多跨高墩连续刚构桥损伤指标的相关研究成果。因此，本文仍然选用当前通常采用的截面曲率φ作为损伤指标，并根据文献中的高墩损伤阶段划分标准和破损准则，确定了四个临界曲率将高墩损伤阶段划分为:无损伤、轻微损伤、中等损伤、严重损伤和完全破坏等五个损伤阶段。

3.2易损性曲线

采用IDA方法对RC墩、CFS－1墩以及CFS－2墩进行分析，绘制IDA曲线，得出回归分析数据，计算墩底截面的损伤概率，最后得到易损性曲线。RC墩、CFS－1墩以及CFS－2墩不同高墩结构的易损性曲线的对比如图6所示。

图6　高墩结构易损性曲线对比图

由图6可知，地震动相同时，RC墩的轻微损伤的概率超过９0％对应的加速度峰值是0.6g，而同样损伤概率下，CFS－1墩以及CFS－2墩的加速度峰值是1.2g，故加速度峰值处于0～1.2g之间时，RC墩更易发生轻微损伤；在中等损伤概率超过９0％时，RC墩对应的加速度峰值是0.7g，而CFS－1墩以及CFS－2墩对应的加速度峰值是1.6g，因此CFS墩的抗震性能比RC墩好；当加速度峰值是1.6g时，CFS－2墩中等损伤及严重损伤概率均比CFS－1墩略小，故CFS－2墩的抗震性能比CFS－1墩好一些。

4减隔震方案

减隔震设计即通过使用合适的装置，延长结构周期，加强对地震能量的消耗，以降低地震作用下桥梁结构的不利反应。《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01—2008）对该技术有指导性规定，同时该技术在大多数国家强震灾害区桥梁设计和加固中的应用也较为广泛。考虑该极矮墩简支梁桥场地条件较好，采取板式橡胶支座弹性减隔震方案，同时允许该支座在横桥向出现弹性变形，并在横桥向挡块和主梁间预留足够的弹性变形空间。除进行极矮墩强度验算外，还必须对横桥向挡块和主梁相对位移进行验算。当前，国内桥梁设计中预留出的横桥向挡块和主梁间空间均较小，所以墩柱横桥向和桥台处的抗震挡块约束更接近铰支方案。在减隔震设计时，必须加强相对位移验算以及预留变形空间设计。减隔震方案下桥墩受到恒载和地震荷载效应影响后的横纵桥向受力情况具体见表3、表4，与原圆形截面双柱式墩设计相比，桥墩弯矩最大降幅为66%，横桥向主梁相对位移9.5cm，横桥向挡块和主梁间预留的弹性变形空间长14.5cm；纵桥向桥台伸缩缝相对位移11.8cm。为避免发生碰撞，应设置大位移伸缩缝。如果采用高地震能耗的双向减隔震铅芯橡胶支座，则以上横桥向挡块和纵桥向桥台伸缩缝表现出的相对位移均能得到有效遏制，但是必须展开时程分析。

表3减隔震方案下桥墩横桥向受力情况

表4减隔震方案下桥墩纵桥向受力情况

结束语

总之，（1）在强震作用下，高墩连续横跨刚构桥的梁端与边墩发生竖向碰撞，竖向碰撞效果随着地震强度的增大而增大，考虑竖向地震动输入时，桥梁梁端与边墩容易发生竖向碰撞。（2）竖向碰撞显著时，竖向碰撞会明显增加碰撞墩底轴力的响应，使非碰撞墩底轴力略有减小；竖向碰撞会减少底座底部的弯矩响应。（3）不同地震动输入方式下的竖向碰撞研究表明，包含竖向输入的地震动输入模式包括梁端的竖向位移、增加竖向撞击力及桥面轴力，竖向地震动所占比重越大，影响效果越明显，但不同的地震动输入方式对墩底弯矩响应的影响越小。(4)行波效果可以减少高墩大跨连续刚构桥梁端的竖向碰撞响应，随着时波速数值的增加，梁端的竖向响应与一致激励作用相似。行波效果可以减少梁端的竖向移动及碰撞力，但对主桥各墩墩伸缩力及墩底弯矩的影响各不相同，可能增大。也可以减少结构内力响应。（5）在强震作用下，主桥端可能发生多次竖向碰撞。主桥端竖向碰撞对主桥端竖向移动及钢结构桥墩顶部移动有抑制作用，，会增大碰撞位置处的墩顶位移响应，明显增大主桥边墩墩底弯矩和剪力响应。

参考文献

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