引桥对V形墩连续刚构桥地震响应的影响分析

谢修辞 徐永路

(1.武汉理工大学，湖北 武汉 430000； 2.成都建筑材料工业设计院，四川 成都 610000)



引桥对V形墩连续刚构桥地震响应的影响分析

谢修辞1徐永路2

(1.武汉理工大学，湖北 武汉 430000； 2.成都建筑材料工业设计院，四川 成都 610000)

以海南省定海大桥为工程背景，采用时程分析法，对V形墩连续刚构主桥、仅使用抗震支座的主桥和联入引桥的全桥三种情况分别进行时程分析，结果表明，引桥对V形墩连续刚构桥的影响大于抗震支座，即可以在引桥上做精细化设计来提升刚构桥的抗震能力。

连续刚构桥，地震响应，时程分析

V形墩连续刚构桥属于多次超静定结构，受力上同时具有连续梁和斜腿刚架的特点，相对比较复杂[1]。在进行时程分析时，若桥梁的计算模型较大，为保证计算效率，工程师们有时会忽略引桥对主桥的影响，然而引桥对主桥的影响是与全桥的结构形式有一定联系的，并不是随随便便就可以忽略的。

1 工程概况

海南省定海大桥位于定安县定城镇西北角，是定安、海口、澄迈三市县的交通要道。全桥分为左右两幅，南北引桥及主桥三段。其主桥布置跨径55 m+100 m+55 m，为预应力混凝土V形墩连续刚构桥，15号、16号墩为V形斜腿主墩；南引桥为预应力混凝土现浇连续箱梁结构，北引桥为预应力预制连续小箱梁拼装结构。相关工程技术标准如下：

1)道路等级：一级公路兼城市主干道功能，双向六车道,设计速度为60 km/h；2)横断面布置：桥梁标准断面全宽29.5 m，分为上、下行分离的两幅，单幅桥宽14.5 m，两幅桥净距0.5 m，人行道宽2.25 m，非机动车道宽3 m，机动车道宽8.25 m；3)地震：项目沿线场地地震设防烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2g；4)桥梁抗震设防类别为B类，采用二级水准设防标准，即E1地震作用下的水平地震动峰值加速度Amax=0.066 3g，E2地震作用下的水平地震动峰值加速度Amax=0.367 3g。

根据定海大桥的上述工程实际情况，在Midas/Civil中建立大

桥的空间三维有限元动力分析模型，模型如图1所示。

2 工况划分

现对定海大桥分三种工况，采用Midas/Civil分别进行E2地震作用下的时程分析：

工况一：V形墩连续刚构主桥，使用8个盆式支座，4个GPZ(Ⅱ)3.5DX与4个GPZ(Ⅱ)3.5SX安装在两侧过渡墩墩顶。

工况二：V形墩连续刚构主桥，使用8个型号为HDR(Ⅰ)-570×570×251-G1.2的高阻尼橡胶支座，设置在两侧过渡墩墩顶。

工况三：V形墩连续刚构主桥，使用8个盆式支座，4个GPZ(Ⅱ)3.5DX与4个GPZ(Ⅱ)3.5SX安装在两侧过渡墩墩顶，并联入南北引桥。

3 时程分析

时程分析是将地震记录的实际地震波或人工合成的地震波加载到结构上，直接对结构的运动方程积分求解，并求得结构在地震时间历程上任意时刻的地震响应的方法[2]。时程分析法可考虑结构的塑性特征，并能进行非线性分析[3]，本文因工况二中存在非线性抗震支座，故选择采用此方法进行结构地震响应分析。

3.1 地震动输入

时程分析的结果与地震动输入直接相关，在进行动态时程分析时，首先要选择合适的地震波。在地震波选取的原则上，业内普遍认为应以“地震动三要素”的调整作为控制条件，即采取比例调整的方法使地震动的峰值、频谱特性和持时与规范规定相近[4,5]。现阶段，按上述选波原则，常根据桥梁结构的建筑场地环境类别与抗震烈度，从典型的强震记录与人工合成地震波中选择一种作为地震动的输入方式。在定海大桥的安评报告中已经提供了E1，E2水准下共14条人工合成地震波。本文根据公路桥梁抗震设计细则，现只对定海大桥进行E2水准作用下的时程分析，从E2水准作用下的地震波中选取图2～图4三条进行时程分析[6]。

3.2 时程分析结果

本文对定海大桥全桥进行E2地震作用一致激励下纵向+横向+0.5竖向地震动组合的非线性时程分析，内力值取三组组合中响应最大的为最终结果。14号、17号墩为过渡墩，15号、16号墩为V形斜腿主墩，在下文中将主要通过评判主桥14号～17号墩墩底的内力变化情况来确定引桥与抗震支座对地震响应的影响效果。三种工况下，四桥墩墩底内力分布情况如图5～图8所示。

从图5～图8可明显看出，除了工况三过渡墩的面内弯矩有少量提升外，工况三的其他三种内力降低幅度都显著大于工况二。在此也说明了，在地震发生时，引桥对主桥起到了一定的保护作用。

3.3 减震效果计算

将工况二、工况三分别对比工况一的分析结果，从而计算出工况二、三的减震效果，如表1所示，其中剪力与弯矩的单位依次为kN，×103kN·m。

表1 工况二、工况三减震效果统计表

表1中计算的是各工况下某一墩底某种内力的减震效果，其中有些内力得到了降低，但也有某些内力值却提升了。为了方便表述工况二、三的减震效果，现运用公路桥梁抗震细则中各类桥梁的抗震重要性系数Ci来对表1中的减震率进行加权平均运算，以求得某种内力减震效果的综合评判指标。该桥是B类桥梁，且现在进行的是E2地震作用下的时程分析，故将主墩的分项系数选定为1.7，过渡墩的分项系数选定为1.3。

综合减震效果计算公式如下：

(1)

其中，ci为桥墩的分项系数；ρi为某工况下桥墩的减震率。

将表1中的减震率代入式(1)，求得工况二、三各种内力的综合减震效果见表2。

表2 工况二、工况三综合减震效果统计表 %

由表2可知，在墩底面内剪力、面内弯矩、面外弯矩三项指标上，考虑引桥联入主桥的地震响应结果要比仅考虑抗震支座的效果好。另外，在面外剪力上，两种情况的减震效果相当。

4 结语

对于V形墩连续刚构桥这种刚度较大的桥型，通过更换抗震支座来延长结构自振周期，从而避开地震卓越周期的办法并不是非常好用，因为联入的柔性构件并不能在结构面内有效降低刚构桥的刚度。而另一面，在地震作用下引桥对主桥是具有一定的保护作用的，对于V形墩连续刚构桥该桥型，有时引桥对主桥的减震效果远远优于抗震支座。因此，在大型刚构桥的地震响应分析中不能随便忽略引桥的作用。当然，为增强刚构桥在地震中的抗震能力，以后也完全可以在引桥上进行一些精细化设计。

[1] 赵顺波,刘世明,杨竹林.V形墩连续刚构桥的造型与结构方案设计研究[J].河南大学学报,2010,40(1):101-104.

[2] 范立础.桥梁抗震[M].上海：同济大学出版社，1997.

[3] 谢 旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 刘小林.大跨高墩连续刚构桥延性抗震分析[D].武汉：华中科技大学，2006.

[5] 龙晓鸿.斜拉桥及连续梁桥空间地震反应分析[D].武汉：华中科技大学，2004.

[6] JTG/T B02—01—2008，公路桥梁抗震设计细则[S].

Influence analysis of the approach bridges on the earthquake response of V-shaped piers of continuous rigid-frame bridge

Xie Xiuci1Xu Yonglu2

(1.WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430000,China； 2.ChengduDesign&ResearchInstituteofBuildingMaterialsIndustryCo.,Ltd，Chengdu610000,China)

With the background of Hainan Province Dinghai Bridge, time history analysis method was used on the V-shaped piers of continuous rigid-frame main bridge, main bridge which anti-seismic bearing and entire bridge without anti-seismic bearing. The result indicated that approach bridges is more effective on shock absorption than anti-seismic bearing. So could make some detailed designs on approach bridges to increase the seismic capability of rigid frame bridge.

continuous rigid-frame bridge, earthquake response, history analysis

1009-6825(2016)32-0178-03

2016-09-04

谢修辞(1991- )，男，在读硕士； 徐永路(1989- )，男，硕士，助理工程师

U442.5

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