深水作用下連續剛構地震反應分析

梅曉亮

0 引言

近年來，結構的抗震性能越來越受到人們的重視，橋梁結構作為公路和鐵路的控制工程，往往關系運輸網絡的暢通，其抗震性能尤顯重要。連續剛構橋梁自20世紀80年代引入我國，便得到了廣泛的應用與關注［1，2］，關于其在地震作用下的結構響應的研究也比較多，但設計工作中，往往忽略水流對結構的影響。地震作用下，深水的動力作用會對橋梁的動力特性產生較大的影響:處于深水中的橋墩在水平地震作用下，會產生橫向彎曲振動，橋墩由于與水體的相對運動，受到深水的壓力作用，因此對主墩處于深水中的連續剛構橋來說，在進行抗震分析時，應對水體的動力作用加以適當的考慮［3］。本文以某三跨連續剛構為例，就橋墩與深水相互作用下的地震動力特性進行了分析計算。

1 工程概況

本文所選分析對象為(75+135+75)m三跨連續剛構，雙向六車道，設計荷載為公路—Ⅰ級，地震基本烈度為7度，按8度設防，其他基本參數如下:

主梁截面形式:單箱單室箱形截面，主梁底部沿二次曲線變化，梁高 2.8 m ～6.8 m;

橋墩類型:雙薄壁空心墩，整體式承臺，墩高72 m;

基礎類型:樁基;

設計行車速度:100 km/h。

2 計算工況及動參數

2.1 計算模型

采用大型橋梁結構專用分析軟件Midas-Civil，建立全橋空間模型，模型建立時著重于結構的剛度、質量和邊界條件的模擬:主梁、橋墩以及承臺和樁基采用梁單元模擬;主梁與橋墩之間的連接采用剛性單元模擬;利用主從單元模擬支座;以慣性力和附加質量的方式模擬深水對主墩的作用［4，5］。計算模型如圖1所示。

圖1 計算工況

2.2 反應譜函數

參照《公路橋梁抗震設計細則》規定的水平設計加速度反應譜方法，確定加速度反應譜:采用瑞利阻尼，橋梁抗震重要性系數取0.5;場地系數取值1.0;A值選取0.30g;區劃圖上的特征周期是0.45 s。加速度反應譜如圖2所示。

圖2 加速度反應譜

3 計算結果分析

利用建立的空間模型，進行結構的反應譜和動力特性分析，結構動力特性分析中的特征方程求解采用子空間迭代法，計算取前500階振型，振型組合按CQC方法進行。分析了深水作用對其地震反應的影響，對不考慮深水影響的結果(工況一)，與考慮深水影響的結果(工況二)進行比較。

3.1 自振頻率與周期

兩種結構的前10階模態的頻率如表1所示。

表1 兩種工況的前10階振動頻率

結構的首階振型周期是3.61 s，超過2 s，屬于較柔結構，其第一階振型為薄壁墩的縱向振動，說明墩的縱橋向剛度較橫橋向小。

從模態數據可以發現，考慮深水作用時，橋梁的自振頻率減小，自振周期變大。

3.2 內力分析

工況一與工況二的主要節點軸力如圖3所示。

通過比較工況一和工況二的兩組軸力數據，工況二在主梁中跨跨中的位置單元軸力增大122.8%，墩梁結合處平均增大214.7%，兩墩墩頂分別增大 130.9% 和 143.3%，墩底增大114.2%和 134.9%。

由此可知，在連續剛構橋的地震分析中，考慮深水作用對橋梁主梁和主墩軸力都有很大的影響。

工況一與工況二的主要節點內力如圖4所示。

由圖4可以看出，工況一比工況二在跨中部位，扭矩減小50%，面內彎矩減小90%，面外彎矩值增大59%;墩梁結合處扭矩值平均減小1.4%，面內彎矩值減小91.1%，面外彎矩值增大6.7%;墩頂處扭矩值平均減小0.5%，面內彎矩值分別增大41.1%和97.8%，面外彎矩值分別增大 100.5%和 24.8%;墩底處，扭矩值平均減小0.5%，面內彎矩值分別增大63.2%和326.9%，面外彎矩值分別減小29.9%和增大18.8%。

通過上述分析可見，考慮深水作用，對主梁和主墩的扭矩和彎矩值都有很大的影響。

圖3 工況一與工況二軸力比較圖（單位：kN）

圖4 工況一與工況二彎矩、扭矩比較圖（單位：kN·m）

3.3 位移分析

通過計算，工況一與工況二的位移對比圖如圖5所示。

通過比較工況一和工況二的位移，不難發現:在跨中部位，順橋向位移在墩底位置的變化較為明顯，工況二比工況一分別增大89.1%和135.9%，其他部位增幅相對均勻，在32.3%左右;橫橋向位移在各個部位都有顯著地變化，跨中位置增大149.2%，墩梁結合處平均252.3%，墩頂位置平均265.5%，墩底位置415.7%。

豎向位移在各個位置都有所減小。

圖5 工況一與工況二位移比較圖（單位：m）

4 結語

在連續剛構橋的抗震分析中考慮深水作用，會對計算結果產生較大的影響。

1)橋梁的自振頻率減小，自振周期變大。2)橋梁的整體軸力大幅增加，增加一倍以上，而彎矩有所減小或者發生小幅的變化。3)在位移方面的影響也是很明顯的，尤其是墩頂和墩底位置。4)在建立工況的時候深水是以慣性力和附加質量的方式模擬的，慣性力和附加質量都是直接作用在主墩上的，因而在深水作用下橋梁主墩受到的影響最大，需要在進行設計的時候重點考慮。

［1］ 楊高中.連續剛構橋在我國的應用和發展［J］.公路，1998(6):1-7.

［2］ 楊高中，楊征宇，周軍生，等.連續剛構橋在我國的應用和發展續［J］.公路，1998(7):1-5.

［3］ 黃新贊.深水高墩大跨連續剛構橋的地震反應分析［D］.昆明:昆明理工大學，2006.

［4］ 李 彤.地震作用下土—群樁—結構—水相互作用體系的動力反應分析［D］.上海:同濟大學，1999.

［5］ 黃小國.連續剛構橋水平地震反應分析［D］.西安:長安大學，2006.

［6］ JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則［S］.

［7］ 范立礎.橋梁抗震［M］.上海:同濟大學出版社，1997.