殷 超，趙 青

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

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不同曲率半徑下曲線梁橋的地震時(shí)程分析

殷 超，趙 青

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230022)

為了分析曲率半徑對曲線梁橋抗震性能的影響，以某城市一立交匝道曲線梁橋?yàn)楸尘?，針對該匝道曲線梁橋，運(yùn)用空間大型橋梁有限元分析軟件Midas Civil，分別建立了五個(gè)不同半徑下該曲線梁橋的有限元模型，探索不同半徑下曲線梁橋的地震響應(yīng)。采用E1 Centro地震波，只考慮橋梁的自重作用并采用多方向的地震動(dòng)輸入，進(jìn)行了地震時(shí)程分析，研究了不同曲率半徑下的曲線梁橋內(nèi)力、位移的時(shí)程響應(yīng)，并互相進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示當(dāng)自振頻率比較小時(shí)，無論曲率半徑如何變化，橋墩均出現(xiàn)彎扭，并且曲率半徑對曲線梁橋的順橋向和橫橋向的地震響應(yīng)均有較大影響。

立交匝道；曲線梁橋；不同半徑；地震響應(yīng)；時(shí)程分析

我國是一個(gè)多地震的國家，從公元前17世紀(jì)我國有最早期的地震記錄開始,至今共有地震記錄9 000多次,其中六級以上的破壞性地震就有800多次。而1901年至1969年我國六級以上的地震就有476次,平均每年多達(dá)6～7次。近年來,我國又陸續(xù)發(fā)生了多次七級以上大地震,如1976年河北唐山大地震、2008年汶川大地震等。各地交通部門在高速公路、城市立交建設(shè)中大量應(yīng)用了曲線梁橋，這些曲線梁橋往往位于交通樞紐位置，重要性不言而喻。由于曲線梁橋，特別是小半徑曲線梁橋，對于城市當(dāng)中減少土地的占用、增加行車視野和美觀有很大幫助，因此得到大量應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-6]中分別對曲線梁橋進(jìn)行了地震響應(yīng)分析；文獻(xiàn)[7-8]研究了支座設(shè)置對于曲線梁橋動(dòng)力特性的影響；文獻(xiàn)[9-10]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面討論曲線梁橋的抗震性能。本文以中部某城市一個(gè)立交匝道為研究對象，探索了在不同曲率半徑下曲線梁橋的動(dòng)力特性，并分析了不同曲率半徑下曲線梁橋的時(shí)程響應(yīng)曲線。

1 橋梁概況

某城市一個(gè)立交匝道曲線梁橋?yàn)榈冉孛嫒珙A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)曲線箱梁橋，原橋本身位于半徑為180 m的圓曲線上?？鐝浇M成為29.5+30+29.5 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室截面，箱梁高度為2.9 m，橋面寬度為10 m，底板寬度為6.2 m，懸臂寬度為1.5 m，采用C50砼現(xiàn)澆。下部結(jié)構(gòu)為兩端雙柱式橋墩，直徑為1.4 m,中間為單柱橋墩，直徑為2 m。墩高平均為10 m,均采用盆式橡膠支座。墩與承臺均固結(jié)，采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁類型為城-B類，場地類型為II類，抗震設(shè)防烈度為8°，特征周期為0.45 s。箱梁截面如圖1所示，支座的布置形式如圖2所示。

圖1 箱梁截面圖(單位：mm)

圖2 支座布置形式

2 橋梁動(dòng)力特性分析

為了研究曲率半徑對曲線梁橋的動(dòng)力特性的影響，本橋在建模過程中，曲線梁和橋墩均采用空間梁單元模擬，將墩底固定，并且不考慮樁土效應(yīng)。在不改變橋梁結(jié)構(gòu)以及支承形式的情況下，分別建立了曲率半徑為30 m、60 m、120 m、180 m、360 m的5個(gè)有限元模型，采用Midas Civil程序中的多重Ritz向量法，對以上模型均進(jìn)行了前十階模態(tài)分析，探索其動(dòng)力特性。原橋模型如圖3所示。5個(gè)模型的前十階自振特性如表1、表2所示。

表1 曲線梁橋的自振特性(曲率半徑分別為30 m、60 m)

表2 曲線梁橋的自振特性(曲率半徑分別為120 m、180 m、360 m)

圖3 有限元橋梁模型

由表1、表2和圖3可以看出：①當(dāng)曲線梁橋的曲率半徑比較小的時(shí)候，如半徑為30 m、60 m時(shí)，第1階和第2階模態(tài)下，振型主要為主梁的縱向漂移，主梁無明顯變形，而半徑為120 m、180 m、360 m時(shí)，在第2階模態(tài)下就出現(xiàn)了橫向漂移，說明曲線梁橋的曲率半徑越小，越有利于約束主梁的橫向漂移；②前3階自振頻率均比較小的情況下，橋墩均呈現(xiàn)彎扭現(xiàn)象，說明不管半徑如何，橋墩的剛度及曲線梁橋的彎扭耦合作用對曲線梁橋的動(dòng)力特性影響均比較大；③在曲率半徑較大的情況下，如曲率半徑為120 m、180 m、360 m時(shí)，振型特征基本相同，而在曲率半徑較小情況下，如曲率半徑為30 m、60 m時(shí)，振型特征差別很大，說明半徑增大到一定程度時(shí)，振型對橋梁的地震響應(yīng)影響基本一致；④后面7階自振頻率較大的情況下，不論半徑如何，均出現(xiàn)了箱梁側(cè)彎、豎彎，墩彎扭等。

3 地震動(dòng)的輸入及調(diào)整

對于曲線橋梁，考慮到地震動(dòng)在兩個(gè)水平方向上存在耦合，所以不能只考慮順橋向或者橫橋向水平地震動(dòng)的單向輸入，而采用了地震波的雙向輸入[4]。本文選擇了地震時(shí)程分析中最常用的E1 Centro地震波，順橋向采用了1940, El Centro Site, 270 Deg波，橫橋向采用了1940, El Centro Site, 180 Deg波，并且按照規(guī)范要求進(jìn)行了調(diào)幅處理，持續(xù)時(shí)間調(diào)整為35 s，時(shí)間步長取0.02 s，地震加速度峰值取用0.2 g(g為重力加速度)。以曲線橋平曲線直線段方向?yàn)轫槝蛳?，垂直于平曲線直線段方向?yàn)闄M橋向，將兩個(gè)方向地震波在支承處沿橋橫向按照一致激勵(lì)方向輸入，以得到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)(見圖4、表3)。

圖4 E1 Centro 地震波

表3 地震波特性

4 地震響應(yīng)分析

圖5～圖12分別給出了曲率半徑為30 m、60 m、120 m、180 m、360 m的曲線梁和橋墩的內(nèi)力和位移的地震時(shí)程曲線，并分別進(jìn)行了比較。

圖5 邊墩頂位移

圖6 中墩頂位移

圖7 邊墩底彎矩

圖8 中墩底彎矩

圖9 邊墩底剪力

圖10 中墩底剪力

圖11 跨中彎矩

圖12 跨中剪力

由圖5和圖6可以看出：邊墩頂位移值在順橋向隨半徑增大而逐漸增大，在橫橋向隨半徑增大位移值先增后減，且橫橋向位移值明顯大于順橋向位移值；中墩頂位移值在順橋向隨半徑增大先增后減，在橫橋向隨半徑增大位移值先減后增，且順橋向位移值與橫橋向位移值相差不大。由圖7和圖8可以看出：邊墩底彎矩在順橋向和橫橋向隨半徑增大有減有增，但是順橋向和橫橋向彎矩值相差不大；中墩底彎矩在順橋向和橫橋向隨半徑增大也有減有增，但是順橋向和橫橋向彎矩值相差較大。由圖9和圖10可以看出：邊墩底剪力在順橋向隨半徑增大有增有減，在橫橋向隨半徑增大逐漸減小，剪力值相差較大；中墩底剪力在順橋向和橫橋向均隨半徑增大而逐漸減小，但剪力值相差不大。說明曲率半徑對曲線梁橋邊墩和中墩順橋向剛度和橫橋向剛度均有較大影響。由圖11和圖12可以看出：邊跨跨中彎矩隨半徑增大變化不大，而中跨跨中彎矩隨半徑增大變化較大；邊跨跨中剪力隨半徑增大變化不大，而中跨跨中剪力隨半徑增大變化較大。說明曲率半徑對中跨內(nèi)力影響比邊跨要大。

5 結(jié)語

依據(jù)有限元程序Midas Civil對某城市匝道曲線梁橋的動(dòng)力特性分析和地震反應(yīng)分析表明，其抗震性能有以下特點(diǎn)：

(1)對曲線梁橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析，發(fā)現(xiàn)在自振頻率比較小時(shí)，無論曲率半徑如何，橋墩均呈現(xiàn)彎扭現(xiàn)象，而箱梁只是出現(xiàn)漂移，所以低階振型下，橋墩變形比較大。

(2)在曲率半徑較大時(shí)，振型特征基本相同，表明當(dāng)曲線梁橋的曲率半徑增大到一定程度時(shí)，曲率半徑對橋梁的動(dòng)力特性影響較小。

(3)半徑對曲線梁橋的順橋向和橫橋向的地震響應(yīng)均有較大影響。

(4)在實(shí)際曲線梁橋地震分析時(shí)，不能只采用單一方向的地震動(dòng)輸入，而應(yīng)采用多個(gè)方向輸入地震動(dòng)，并對結(jié)果進(jìn)行組合，以保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。

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Seismic time history analysis of curved girder under different radius of curvature

YIN Chao, ZHAO Qing

(DepartmentofCivilEngineering,AnhuiJianzhuUniversity,Hefei230022,China)

In order to analyze the influence of the radius of curve beam bridge seismic performance, taking an overpass ramp curve girder bridge as the background in a city. On the ramp curve girder bridge, by using the space finite element analysis of software Midas Civil, five different finite element model of the curved girder under the radius are established to explore the different radius of the curved girder Bridges under seismic response. The earthquake time history analysis is used with E1 Centro seismic waves and the weight of bridges and multi-direction of ground motion input is taken into account. The different curve radii of curvature of the beam bridge under internal force and displacement time history response are studied, and compared with each other. The results showed that when the natural frequency is relatively small, no matter how the radius of curvature change, piers are bending and torsion occurs, the radius of curvature and have a greater impact on the seismic response curve beam bridge along the bridge and the transverse direction.

interchange ramp; curve girder bridge; different radius; earthquake response; time history analysis

2015-09-07

安徽省高等學(xué)校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(KJ2014ZD07)；安徽省高等教育振興計(jì)劃(2013ZDJY123)

殷 超(1989-),男, 安徽安慶人，碩士研究生。

1674-7046(2015)06-0012-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2015.06.003

U448.21

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