橋墩參數(shù)對超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響分析

橋墩參數(shù)對超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響分析

1特大橋墩高和跨跨板徑這種連續(xù)剛橋具有橫跨能力強、設(shè)計方法合理、結(jié)構(gòu)性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于山區(qū)道路上。在云南的元江大橋（樁高123.5m，主要跨265m）、河南洛河特橋（樁高143.5m，主要跨160m）和湖北龍?zhí)逗犹貥颍陡?78m，主要跨200m）等處。對于這類墩高和跨度均已超出現(xiàn)行JTG/TB02-01-2008《公路橋涵抗震設(shè)計細則》所適用限值的橋梁的地震響應(yīng)問題,國內(nèi)學者開展了不少研究工作,多集中于結(jié)構(gòu)外部輸入(地震激勵)參數(shù)的變化對橋梁地震響應(yīng)的影響分析。關(guān)于橋墩結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對橋梁地震響應(yīng)影響的研究,目前針對墩高在100m以下的連續(xù)剛構(gòu)橋作了一些探討,而對墩高超過100m的超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋則研究很少。該文以貴州省畢節(jié)至威寧高速公路上的赫章特大橋為例,運用Midas/Civil有限元程序,探討了主墩結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)變化對橋梁線彈性地震時程響應(yīng)的影響,以期為超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計提供參考。2梁高件的設(shè)計赫章特大橋主橋為96+2×180+96m四跨預應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,分左右兩幅。主梁采用單箱單室截面,根部梁高11.5m,跨中梁高4m,梁高按1.6次拋物線變化。10#、12#主墩采用雙薄壁空心墩,墩高分別為80和70m,截面尺寸均為7.5m(橫橋向)×3.0m(順橋向),橫、順橋向壁厚分別為1.0和0.6m。11#主墩為單肢薄壁箱墩,左右幅共用,墩高195m,橫橋向?qū)?7.5m(沿墩高不變),順橋向頂寬9.0m,順橋向按60∶1放坡,順、橫向壁厚均為1.2m(沿墩高不變)。橋梁總體布置如圖1所示。3有限模型3.1單元模擬系統(tǒng)采用Midas/Civil程序建立橋梁有限元模型。主梁和主墩均采用三維梁單元模擬,邊界與連接條件見表1。主梁采用C55混凝土,彈性模量E=3.55×104MPa;墩身采用C50混凝土,彈性模量E=3.45×104MPa;混凝土重度均取γ=26kN/m3。3.2工程場地地震波采用線彈性時程分析法對赫章特大橋進行地震響應(yīng)分析,地震波選用橋址處工程場地50年超越概率10%(E1水準)的3組地震波,時間間隔為0.02s,持時取30s,地震波峰值加速度約等于0.05g(圖2)。由于該橋為直線橋梁,僅分別考慮順橋向和橫橋向的地震作用。3.3超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析為了研究主墩結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)對超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響,分別選取不同墩高和坡率的模型進行線彈性地震時程響應(yīng)分析,以探究超高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋在上述參數(shù)變化下主墩墩頂、墩底截面內(nèi)力和墩頂位移的變化規(guī)律,各分析工況及參數(shù)如表2所示。3.4阻尼提取法采用直接積分法,時間積分采用Newmark法,阻尼取0.05。根據(jù)JTG/TB02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計細則》第6.5款規(guī)定,計算結(jié)果取3組分析中的最大值。4結(jié)構(gòu)自振特性分析按表2設(shè)定的工況及參數(shù),保持算例上部結(jié)構(gòu)、10#、12#主墩和9#、13#交界墩結(jié)構(gòu)不變,僅分別對11#主墩墩高和坡率變化引起的結(jié)構(gòu)自振頻率、振型特征、主墩墩頂、墩底截面內(nèi)力和墩頂位移的變化情況進行分析。由于在水平地震激勵下,主墩軸力遠小于自重作用產(chǎn)生的軸力,因此內(nèi)力分析中不含軸力項。4.1順、橫橋向激勵保持11#主墩坡率60∶1不變,將其墩高依次取為105、135、165、195、225和255m。不同墩高模型自振基頻和振型特征見表3。由表3可以看出,結(jié)構(gòu)自振基頻隨著主墩高度的增加而減小,當墩高從105m增加到255m時,結(jié)構(gòu)基頻下降了46.2%;由于橫橋向剛度下降較順橋向快,導致當墩高增加到165m時,全橋一階振型由縱漂變?yōu)檎龑ΨQ橫向彎曲。順、橫橋向激勵時,11#主墩墩頂、墩底截面內(nèi)力和墩頂位移隨墩高變化規(guī)律如圖3~5所示(注:圖中2指橫橋向,3指順橋向,則順橋向地震激勵產(chǎn)生的彎矩和剪力分別為M3和Q3,橫橋向地震激勵產(chǎn)生的彎矩和剪力分別為M2和Q2,順、橫橋向激勵產(chǎn)生的墩頂位移分別為D3和D2)。由圖3可以看出,主墩高度變化對主墩墩頂、墩底截面彎矩影響不顯著,其變化規(guī)律亦不明確,這可能和墩高改變后結(jié)構(gòu)整體剛度重新分配有關(guān)。在圖4中無論在順橋向還是橫橋向地震激勵下,墩頂、墩底截面剪力都隨墩高增加呈明顯下降趨勢,當墩高從105m增加到255m時,墩頂Q3和Q2分別下降了82.3%和55.3%,墩底Q3和Q2則分別下降了43.7%和18.9%。這是因為橋墩的剛度隨著墩高的增加而下降,使橋墩分配到的荷載減少,故地震激勵下剪力呈下降趨勢。此時,墩頂位移則隨著主墩抗推剛度的降低而增大(圖5)。4.2不同坡率對內(nèi)墩力特性的影響由于橫隔板對橋梁地震響應(yīng)的影響可以忽略,為減少計算工作量,在坡率分析模型中不設(shè)橫隔板,保持主墩墩高195m不變,將11#主墩坡率(僅順橋向)依次取為80∶1、75∶1、70∶1、65∶1、60∶1和55∶1。不同坡率模型自振頻率和振型特征列于表4。由表4可以看出,結(jié)構(gòu)整體剛度隨坡率的減小而降低,當坡率由55∶1減小到80∶1時,結(jié)構(gòu)基頻降低了2.5%,且一階振型均為對稱橫向彎曲。由此可見,橋墩坡率的調(diào)整,對全橋動力特性影響很小。順、橫橋向激勵時,11#主墩墩頂、墩底截面內(nèi)力和墩頂位移隨坡率變化規(guī)律如圖6~8所示。由圖6、7、8可知,在順、橫橋向地震激勵下,當坡率由55∶1減小到80∶1時,墩頂、墩底截面彎矩分別下降了0.2%、1.0%和17.1%、6.4%;墩頂、墩底剪力分別下降了19.9%、9.8%和13.7%和4.9%;而墩頂位移則分別增加了7.1%和2.5%。這是因為隨著主墩坡率的減小,主墩順、橫橋向抗推剛度都在不斷降低,由于算例僅改變主墩順橋向的坡率,故主墩在順橋向激勵下分配到的荷載更少;墩頂位移隨主墩剛度的降低而增加,且順橋向位移增量也大于橫橋向。5坡率和坡率對自振特性的影響(1)墩高的改變對全橋振型序列影響顯著,當墩高達到165m時結(jié)構(gòu)一階振型由縱漂變?yōu)闄M向?qū)ΨQ彎曲。在相同地震激勵下,墩高的改變對墩頂、墩底彎矩的影響并不顯著,且無明顯的規(guī)律性,但墩頂、墩底剪力卻隨墩高的增加而減小,墩頂位移則隨墩高的增加而增大,且與墩高呈近似線性關(guān)系。(2)坡率的改變對結(jié)構(gòu)自振特性影響很小,