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(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

新型鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)具有抗震性能良好、承載力高、施工便捷、線型靈活等特點，已成為強(qiáng)震區(qū)的理想橋型之一[1-2]。與直梁橋相比，曲線梁橋的傳力機(jī)理有所不同，尤其是激勵角度、曲率半徑等參數(shù)引起的主梁彎扭耦合效應(yīng)不可忽略，使得結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜[3]。

曲線梁橋的動力特性及不同參數(shù)的抗震性能影響研究開展較早且成果豐富。如文獻(xiàn)[4]對比分析了鋼筋混凝土直橋與彎橋的動力特性，研究結(jié)果表明彎梁橋的整體性能不如直梁橋，建議適當(dāng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭構(gòu)件設(shè)計。文獻(xiàn)[5]研究了混凝土連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)在不同地震動激勵角度輸入下的影響規(guī)律，結(jié)果表明：地震輸入角度對主梁面內(nèi)外響應(yīng)值影響較大；文獻(xiàn)[6]對某三跨一聯(lián)鋼筋混凝土高墩小半徑曲線梁橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析，探討了墩高、曲率半徑和激勵角度三者之間的影響關(guān)系，結(jié)果表明高墩曲線梁橋的最不利激勵角度不受墩高和曲率半徑參數(shù)影響，可分別將支座中心連線和與之垂直的方向作為最不利激勵角度。文獻(xiàn)[7]探討了混凝土彎梁橋墩底截面曲率與地震動輸入方向之間的關(guān)系，提出了該類梁橋最不利激勵角度的計算簡化公式。

綜上所述，目前關(guān)于彎梁橋結(jié)構(gòu)的動力特性及地震波激勵角度參數(shù)影響研究主要集中在鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，而關(guān)于新型鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)的動力特性及地震響應(yīng)規(guī)律方面的報道較為罕見，其理論研究嚴(yán)重滯后于工程應(yīng)用，為此本文以干海子大橋為工程背景，探討了該類新型彎梁橋結(jié)構(gòu)的動力特性、內(nèi)力分布規(guī)律、分析了不同地震波激勵角度等對全橋結(jié)構(gòu)的抗震性能影響規(guī)律，為其應(yīng)用推廣打下理論基礎(chǔ)。

1 鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)梁橋有限元計算方法

1.1 工程背景

干海子特大橋位于四川省雅安石棉縣境內(nèi)，大橋全長1 811 m，分三聯(lián)三十六跨設(shè)計，第一聯(lián)曲率半徑為353 m，第二聯(lián)和第三聯(lián)曲率半徑均為1 130 m。上部主梁采用鋼管混凝土輕型組合桁梁結(jié)構(gòu)，下部橋墩根據(jù)不同的墩高值，分別采用雙柱式鋼筋混凝土墩、鋼管混凝土格構(gòu)柱、鋼管混凝土復(fù)合墩三種橋墩結(jié)構(gòu)形式。干海子大橋?qū)嵕霸斠妶D1。

圖1 干海子大橋?qū)嵕皥DFig.1 Panorama of Ganhaizi Bridge

上部主梁采用鋼管混凝土桁架梁結(jié)構(gòu)，分左右兩幅，每幅均由鋼管混凝土下弦桿、鋼管腹桿和預(yù)應(yīng)力混凝土頂板組成。梁高為4.4 m，節(jié)間間距均為4.4 m，下弦桿和腹桿分別為Φ813 mm和Φ406 mm鋼管，內(nèi)部填充C60混凝土。下弦桿間設(shè)置鋼管桁架橫系梁。

下部鋼管混凝土格構(gòu)墩柱肢是由4根Φ813(720)×12 mm鋼管柱組成，管內(nèi)填充C50混凝土，縱向柱肢坡度為1∶50，橫向直立；柱肢縱橋向采用間距為2 m的Φ406 mm平鋼管連接；橫向采用間距為10 m的橫撐桁架連接，蓋梁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。柱肢下面是由鋼筋混凝土承臺和樁基礎(chǔ)連接而成的整體受力體系。具體的鋼管混凝土格構(gòu)墩構(gòu)造詳見圖2。

(a)橋墩橫斷面圖 (b)橋墩縱斷面圖圖2 鋼管混凝土格構(gòu)墩Fig.2 CFST latticed piers

1.2 有限元計算方法介紹

采用Midas Civil 2015大型有限元程序建立三跨一聯(lián)的鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)。格構(gòu)墩和鋼管混凝土桁梁均采用空間梁單元模擬，橋面二期恒載按20 kN/m考慮，橋面板、腹桿以及下弦桿為同節(jié)點。下弦管與混凝土柱肢單元均采用組合單元模擬兩者間的相互作用。根據(jù)不同的彈性剛度值分別模擬，固定支座GPZ-12.5GD和盆式支座YLXZ-1000×12。上部主梁兩端分別限制其豎向與橫向位移，并約束其繞Y、Z軸轉(zhuǎn)動。為簡便計算，不計樁-土結(jié)合作用，格構(gòu)墩墩底按固接方式模擬。全橋共有1 059個節(jié)點，1 423個單元，三維有限元模型如圖3所示。

固定墩 活動墩 圖3 有限元模型(B-0)Fig.3 Finite element model of bridge(B-0)

1.3 地震波輸入

地震波作為一種地震動激勵荷載，能否選擇正確合理、適當(dāng)?shù)牡卣鸩ㄊ墙Y(jié)構(gòu)抗震性能判斷的主要因素之一。

由于該橋址位置處沒有相應(yīng)的地震動記錄，結(jié)合選波原則，選取E1-centro為地震波激勵荷載。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[8]和《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》[9]有關(guān)條文規(guī)定，加速度峰值(PGA)為0.086 g，僅考慮順橋向地震工況。

2 全橋地震響應(yīng)分析

2.1 自振特性分析

為了掌握鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋的動力特性，有必要對該類新型梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行振型模態(tài)分析。一般情況下前幾階振型對結(jié)構(gòu)的動力特性影響起到?jīng)Q定性作用，因此對該類新型梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行前幾階振型特性分析顯得十分重要。篇幅局限，僅列出前5階振型信息，詳見表1和圖4。

表1格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋前5階振型特性

Tab.1characteristicsofthefirst5modesthecurvedbeambridgewithlatticedhigh-risepiers

模態(tài)號頻率/Hz周期/s振型描述10.166.28固定墩一階縱向彎曲20.761.31活動墩一階縱向彎曲30.921.09兩個橋墩橫向彎曲41.160.86兩個橋墩均縱向扭轉(zhuǎn)彎曲51.70.61主梁橫向扭轉(zhuǎn)彎曲

由表1和圖4振型特性和模態(tài)信息可知：該類新型梁橋結(jié)構(gòu)前四階振型特性均表現(xiàn)為固定墩或活動墩彎曲變形，說明該類新型彎梁橋結(jié)構(gòu)主梁空間桁架剛度較大，下部橋墩剛度相對較柔(尤其是縱向方向)；另一方面，結(jié)構(gòu)的自振周期特征數(shù)值表明，第一階振型頻率為0.16 Hz，周期長達(dá)6.28 s，說明鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)整體剛度較柔，可有效避開與較為堅硬的場地產(chǎn)生的共振效應(yīng)，有效減小結(jié)構(gòu)的破壞幾率具有良好的抗震性能。與文獻(xiàn)[10]該類直梁橋結(jié)構(gòu)的振型特性對比發(fā)現(xiàn)，彎橋結(jié)構(gòu)第5階就出現(xiàn)主梁扭轉(zhuǎn)彎曲變形，而直梁橋結(jié)構(gòu)直至第10階才出現(xiàn)主梁彎扭耦合效應(yīng)，因此應(yīng)考慮鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋在自重作用下的彎扭耦合效應(yīng)對整體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)影響。

(a)第一階振型(T=6.28)

(b)第二階振型(T=1.31)

(c)第三階振型(T=1.09)

(d)第四階振型(T=0.86)

(e)第五階振型(T=0.61)圖4 格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋前五階振型圖Fig.4 Diagram of the first 5 modes the curved beam bridge with latticed high-rise piers

2.2 內(nèi)力分布規(guī)律

橋梁結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析時，通常選取結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力、剪力和位移等指標(biāo)作為構(gòu)件控制截面設(shè)計或抗震性能評價依據(jù)。通過對鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)的受力初步分析，桁梁下弦管和格構(gòu)墩柱肢分別是主梁和橋墩的主要受力桿件；格構(gòu)墩綴管主要起到連接柱肢構(gòu)件的作用。

為了明確該類橋梁梁、墩控制截面位置，對模型進(jìn)行地震響應(yīng)內(nèi)力分布規(guī)律探討。結(jié)果表明格構(gòu)墩柱肢對應(yīng)的同一截面位置處單元內(nèi)力值相差甚小，且桁梁結(jié)構(gòu)也類似。因此，分別選取梁、墩同一截面位置處單元的內(nèi)力平均值做為截面響應(yīng)值。在順橋向E1地震作用下，梁、墩典型截面的響應(yīng)峰值見表2，各個指標(biāo)包絡(luò)圖如圖5～9所示。

表2橋墩和主梁截面內(nèi)力值

Tab.2Internalforcevaluesofthecrosssectionbetweenthepierandthemainbeam

結(jié)構(gòu)截面位置彎矩My/(kN·m)扭矩Mz/(kN·m)剪力/kN軸力/kN位移/mm主梁橋墩B11 5358402 92110212B226 3315541 38654212B332 6966324 431184213B432 6965034 43186213B526 3325531 38639213B61 5358402 9219213P1378111779 5410P2342711275 353213P3201104506 9550P410286444 62560

結(jié)合上述圖表計算數(shù)值可知，E1地震作用下，鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋主梁典型截面位置處的彎矩和剪力值基本對稱分布，梁端(P1)為主梁扭矩峰值截面，扭矩值占彎矩值的54.7%，因此不可忽視主梁的彎扭耦合效應(yīng)。對于鋼管混凝土格構(gòu)墩，固定墩典型截面處的各個地震響應(yīng)值均比活動墩高，且墩底徑向、切向彎矩、軸力指標(biāo)均比墩頂截面位置大。根據(jù)多遇地震下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律，分別選取固定支座處作為主梁彎矩控制截面，梁端處作為主梁扭矩控制截面，并選取P1截面位置處的徑向、切向彎矩值、軸力值以及P2截面處的位移值作為格構(gòu)墩抗震控制截面依據(jù)指標(biāo)。

固定墩 活動墩圖5 切向彎矩包絡(luò)圖 Fig.5 The envelope diagram of tangential bendingmoment

固定墩 活動墩圖6 徑向彎矩包絡(luò)圖Fig.6 The envelope diagram of the radial bendingmoment

固定墩 活動墩圖7 主梁扭矩包絡(luò)圖 Fig.7 The envelope diagram of the main beam’storque moment

固定墩 活動墩圖8 格構(gòu)墩軸力包絡(luò)圖 Fig.8 The envelope diagram of the latticed pier’saxial force

固定墩 活動墩圖9 格構(gòu)墩位移圖Fig.9 Displacement diagram of the latticed pier

3 地震波激勵角度影響分析

公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則(JTG/T B02-01-2008)[9]規(guī)定：對于直梁橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)分析時，可分別考慮縱橋向和橫橋向兩個水平方向工況即可；曲線梁橋應(yīng)分別沿著主梁支座連線和垂直于連線水平方向進(jìn)行多方向地震輸入分析計算，從而確定最不利輸入方向。

本小節(jié)以地震波激勵角度為參數(shù)，分析不同的激勵方向?qū)π滦弯摴芑炷粮駱?gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋地震響應(yīng)值的影響規(guī)律，從而確定該類新型梁橋結(jié)構(gòu)的最不利地震激勵角度。規(guī)定兩端支座中心連線方向為X方向，橋面內(nèi)與之垂直的為Y方向，沿墩高方向為Z軸。兩橋臺連線方向為0，每次遞增15直至入射角度為90(結(jié)構(gòu)的對稱性)。在不同的地震激勵角度下，梁、墩控制截面的響應(yīng)峰值和柱狀圖詳見表3和圖10～ 13所示。

由表3和圖11～ 14可知，不同地震波激勵角度下，固定墩控制截面位置處的切向彎矩、軸力和墩頂位移響應(yīng)值指標(biāo)均隨著地震波輸入角度的大小而逐漸減小，近似呈余弦變化規(guī)律曲線，當(dāng)激勵角度從0°增大到90°時，切向彎矩值、軸力值和墩頂位移值分別減小了91.3%、28.8%、31.5%；相反，橋墩的徑向彎矩值隨著激勵角度從0°到90°，增大了約731.5%；主梁彎矩和扭矩值幾乎不受激勵角度變化影響。根據(jù)上述影響規(guī)律，對于鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)， 選取0°和90°作為最不利地震激勵角度工況。

表3不同激勵角度下的控制截面響應(yīng)峰值

Tab.3Peakresponsevaluesunderdifferentincentiveangles

激勵角度/(°)主梁內(nèi)力/(kN·m)彎矩扭矩橋墩彎矩/(kN·m)彎矩扭矩橋墩軸力/kN橋墩位移/mm032 6968403781119 5412131532 7028413662109 4802033032 7108443334099 3111894532 7168472766118 8731726032 7218502027718 2601567532 7248511148787 5091469032 724852339236 796146

圖10 不同激勵角度下的主梁內(nèi)力峰值Fig.10 Peak internal values of the main beam under different incentive angles

圖11 不同激勵角度下的橋墩彎矩峰值Fig.11 Bending moment’s peak values of the pier under different incentive angles

圖12 不同激勵角度下的橋墩軸力峰值Fig.12 Axial force’s peak values of the pier under different incentive angles

圖13 不同激勵角度下的橋墩位移峰值Fig.13 Displacement’s peak values of the pier under different incentive angles

4 結(jié)論

以鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋為研究對象，探討了該類新型橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性、E1地震作用下的內(nèi)力分布規(guī)律、以及不同地震波激勵角度對全橋地震響應(yīng)的影響規(guī)律，得到以下幾點結(jié)論：

1)鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋結(jié)構(gòu)剛度較柔、周期長，抗震性能良好；曲率半徑產(chǎn)生的彎扭耦合效應(yīng)不可忽視。

2)鋼管混凝土桁梁下弦管固定支座處是主梁彎矩的控制截面，主梁扭矩最大值處于梁端位置；固定墩墩底是鋼管混凝土格構(gòu)墩彎矩和軸力的控制截面，橋墩剪力和位移最大值位于固定墩墩頂。

3)橋墩切向彎矩、軸力和墩頂位移最大值均出現(xiàn)在0°激勵角度，橋墩徑向彎矩最大值出現(xiàn)在90°。因此，可選取支座連線方向和與之垂直的方向作為鋼管混凝土格構(gòu)式高墩連續(xù)彎梁橋的最不利激勵角度。

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