地震作用下西部地区连续梁桥的落梁研究

张勇 刘昌清 顾庆

1 概述

我国幅员辽阔，地质构造复杂，是一个地震多发国家。从《中国地震动参数区划图》[1]可以看出，西部地区的地震动峰值加速度较大，反应谱特征周期较大，属于高烈度地区。近年来，随着基础设施建设的大规模推进，西部地区桥梁建设事业蓬勃发展，修建了大量的连续梁桥。众所周知，桥梁属于生命线工程，在抗震救灾和灾后重建中肩负着重要使命。因此，西部地区连续梁桥的抗震性能值得研究。

在连续梁桥的诸多地震破坏中，以落梁破坏最为严重，影响最为深远[3]。本文以西部地区某连续梁桥为工程背景，研究地震作用下的落梁机理，通过设置连梁装置来减小相邻联的地震相对位移，降低落梁发生的可能性。研究成果可供工程实践参考。

2 工程背景

西部地区某连续梁桥三联跨径布置分别为4×40 m，4×40 m和3×40 m，本文重点研究第二联。主梁采用整体现浇箱形断面，桥墩采用空心薄壁箱形断面，基础采用双排桩基础。由于西部地区地形起伏较大，本连续梁桥的墩高差异大。

桥址处地基条件较差，土质从上到下依次为回填土、砂土、强风化泥岩和中风化泥岩。值得注意的是，本地区差异风化较大，各桥墩处地质情况也不尽相同。

3 模型介绍

针对上述连续梁桥，应用商业有限元软件Midas/Civil进行建模分析。该模型以纵桥向为 X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴(见图1)。各构件与模型的对应关系如下:

1)梁、墩、桩均采用空间梁单元模拟;2)承台模拟为质点，与墩底节点和桩顶节点均采用主从约束;3)考虑土体(包括岩石)对桩基的作用:土体用弹簧模拟，忽略阻尼和刚度特性的影响，其中弹簧刚度依据“m法”取值[2];4)按支座实际位置和性能模拟边界条件:桥梁每联设置一个固定支座，该处梁—墩纵桥向主从，其余桥墩墩顶处梁—墩相对自由;墩顶处梁—墩横桥向、竖向均主从;5)连梁装置设在两联之间的主梁上，采用只受拉单元模拟。

4 地震动输入

本连续梁位于8度区，根据《公路桥梁抗震设计细则》[2]，应采用两水平设防、两阶段设计的抗震设计思想。图2分别为对应E1地震和E2地震作用下的一条地震动时程曲线，对应的地震重现期分别为475年(超越概率为50年10%)和950年(超越概率为100年10%)。本文对E1和E2两个阶段分别分析，研究连梁装置对结构抗震性能的影响。

5 地震反应分析

应用上述连续梁桥模型，分别输入 E1，E2阶段的地震动时程曲线，得到不设置连梁装置和设置连梁装置两种工况下的结构地震响应结果，从梁端相对位移和结构内力两方面对连梁装置的影响进行评述。

5.1 梁端相对位移分析

图3为E1阶段不设置连梁装置和设置连梁装置两种工况下梁端地震相对位移的时程曲线。由图3可以看出:设置连梁装置后，梁端地震相对位移显著减小，第一，第二联和第二，第三联的最大地震相对位移值从不设连梁装置时的0.390 m，0.333 m分别减小至设置连梁装置后的0.072 m，0.111 m，降幅分别为81.5%和66.8%。

图4为E2阶段不设置连梁装置和设置连梁装置两种工况下梁端地震相对位移的时程曲线。由图4可以看出:设置连梁装置后，梁端地震相对位移显著减小，第一，第二联和第二，第三联的最大地震相对位移值从不设连梁装置时的0.576 m，0.580 m分别减小至设置连梁装置后的0.113 m，0.195 m，降幅分别为80.4%和66.4%。

由此可见:连梁装置对于减小梁端相对位移以及防止落梁是有效的。

5.2 桥墩内力分析

图5为E1阶段不设置连梁装置和设置连梁装置两种工况下固定墩墩底和该处桩顶地震弯矩的时程曲线。由图5可以看出:设置连梁装置后，固定墩墩底和该处桩顶地震弯矩均显著减小，其值从不设连梁装置时的137.1 MN◦m，9.3 MN◦m分别减小至设置连梁装置后的77.9 MN◦m，5.3 MN◦m，降幅分别为43.2%和42.9%。

图6为E2阶段不设置连梁装置和设置连梁装置两种工况下固定墩墩底和该处桩顶地震弯矩的时程曲线。由图6可以看出:设置连梁装置后，固定墩墩底和该处桩顶地震弯矩均显著减小，其值从不设连梁装置时的242.1 MN◦m，16.3 MN◦m分别减小至设置连梁装置后的138.7 MN◦m，9.4 M N◦m，降幅分别为42.7%和42.3%。

由此可见:连梁装置对于减小地震弯矩是有效的。

5.3 连梁装置作用机理分析

连梁装置可有效减小地震作用下的梁端相对位移，这是因为在纵桥向，连梁装置将上部结构连成整体，当梁端发生较大相对位移时对其进行限制。在某种程度上，由于上部结构整体性的增强，其抗震性能提高，产生的位移对地震作用不甚敏感。

连梁装置可有效减小地震作用下的结构内力，这是因为随着上部结构地震位移的减小，固定墩顶的位移也相应减小，墩顶相对于墩底的位移也在减小，对墩底产生的弯矩也随之减小，传递到桩顶的弯矩也在减小。

6 结语

在西部山区连续梁端设置连梁装置，可以有效减小地震作用下的结构内力和梁端相对位移，降低落梁的概率，提高结构的抗震性能。因此建议在西部山区地震作用较为强烈的地区，对连续梁桥设置连梁装置，提高结构的抗震性能。

[1] GB 18306-2001，中国地震动参数区划图[S].

[2] JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

[3] 范立础.桥梁抗震[M].上海:同济大学出版社，1997.

[4] 叶爱军.基于地震作用下连续钢桁梁桥动力响应分析[J].山西建筑，2008，34(6):318-319.