横向地震作用对匝道曲线桥梁地震响应的影响分析

罗彦 刘鑫

摘要：文章以某匝道连续梁桥为例，基于OpenSees软件建立了该桥梁空间三维非线性有限元分析模型，充分考虑地震作用下桥墩、支座的非线性和主梁的弯扭耦合效应，对比研究了只考虑纵向地震作用、横向地震作用和纵-横向双向地震作用下桥梁结构的地震响应，分析了横向地震作用对该匝道曲线连续梁桥地震响应的影响。分析结果表明：横向地震作用对匝道曲线连续梁桥地震响应的影响非常显著，与只考虑纵向地震作用相比，纵-横向双向地震作用下桥梁的地震响应显著增大，主梁径向地震响应的改变率可达到49.9%;在匝道曲线连续梁桥抗震性能分析时应该同时考虑纵横向双向地震作用，只考虑单向地震作用将严重低估桥梁的抗震需求。

关键词：曲线梁桥;横向地震;非线性地震响应;弯扭耦合

0 引言

匝道曲线梁桥由于具有良好的地形适应性，在高速公路和城市立交中都得到了广泛的应用，是连接不同高程道路线路之间的常见桥型[1]。同时，由于桥梁两端的高程差的存在使得这种匝道曲线梁桥不仅在平面上是曲线形状，而且在立面上也存在较大的纵坡，造成了桥梁在空间上严重的不规则性[2]。在地震作用下，这种空间不规则性使得匝道曲线梁桥的受力特性比相同跨径的直桥和平面曲线梁桥都要更为复杂，因而在地震中更容易发生严重的破坏。通过研究地震作用下匝道曲线梁桥的地震响应和破坏机理能够为其抗震设计和抗震性能分析提供指导，对于保证桥梁系统的防震减灾能力具有重要意义。

近年来，国内外众多学者都对匝道曲线梁桥的抗震性能进行了研究。陈彦江等[3]以某匝道曲线梁桥为例，通过振动台实验研究了纵向、横向以及纵向+横向地震作用下桥梁的地震响应。张子政[4]通过数值分析研究了地震作用下杭州市萧山区工人路匝道桥的地震倒塌机理。焦驰宇等[5]以汶川地震中的某匝道曲线梁桥为例，探讨了小半径曲线梁桥的损伤模拟方法，通过数值模拟研究了FPS支座对小半径匝道曲线梁桥的减震效果。龚强[6]以汶川地震中回澜立交匝道连续梁桥为例，通过OpenSees软件建立了考虑弯剪效应的桥梁，分析了地震作用下地震反应特征，结果表明地震作用下支座基本都会发生滑移破坏，与桥梁实际震害基本一致。

综合以往研究可以发现，目前匝道曲线梁桥地震響应分析时很多都采用纵向或横向上的单一方向地震激励，而且研究大多针对平面曲线梁桥。为了弥补上述研究中的不足，本文将以某匝道连续梁桥为例，通过OpenSee软件建立桥梁三维非线性有限元模型，充分考虑地震作用下桥墩的弯-剪耦合效应和支座的滑移等因素，研究横向地震作用对匝道曲线梁桥地震响应的影响。

1 桥梁概况及动力分析模型建立

本文以南宁市凤岭北路-厢竹大道立交XH匝道为例进行研究。该匝道桥梁中心桩号为XHK0+225.000，起点桩号为XHK0+152.300，终点桩号为XHK0+297.700，桥梁全长145.4m，桥宽8.5m。全桥上部共两联，第一联为4×20m普通钢筋混凝土连续箱梁，第二联为3×20m普通钢筋混凝土连续箱梁。下部结构桥墩采用宝瓶式墩，基础采用钻孔灌注桩基础，桩径为1.5m，0#台、7#台均为墙式桥台，桥台基础为钻孔灌注桩基础。桥梁结构示意图如图1所示。

根据桥梁设计图纸，基于OpenSees软件建立桥梁三维非线性动力分析模型。主梁采用单梁模型进行建模，地震作用下主梁很少发生塑性变形，因此采用基于弹性梁-柱单元进行模拟。由于曲线半径和纵向坡度的存在，主梁各个节点的坐标较难确定，这里首先采用Midas软件建立桥梁动力分析模拟，再导出节点坐标，进而在OpenSees软件中建立节点。桥墩采用基于力的非线性梁柱单元（ForcebasedBeamcolumnElement，FBE）进行模拟，通过纤维截面考虑桥墩的非线性变形。同时，通过将纤维单元和剪切弹簧串联的方式考虑桥墩的弯-剪耦合效应。5#墩和1#墩上布置盆式固定支座，其余各个桥墩和桥台上均布置双四氟滑板支座，地震作用下支座最容易发生严重的损伤，因此这里采用基于理想弹塑性材料的零长度单元进行模拟。桥台的模拟参考Caltran中的规定[7]，通过理想弹塑性单元进行模拟，同时通过串联Gap单元考虑伸缩缝处主梁和桥台的碰撞效应。

2 地震记录选取

桥梁抗震设防烈度为Ⅷ度，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35s。以《公路桥梁抗震设计细则》[8]给出的设计反应谱作为目标谱，从PEER选择天然地震记录。所选地震动反应谱与目标谱的匹配程度采用均方误差MSE来衡量，MSE按照式（1）进行计算：

所选地震动记录来自于1999年台湾“921”集集地震的CHY010测站，地震记录的东-西向和南-北向的加速度时程如图2所示，地震动反应谱与目标谱匹配情况如图3所示。从图3中可以看到，所选地震动的东西向水平分量反应谱与目标谱具有较好的一致性，东西向水平地震分量是地震动的强度较大的分量，是地震动的主方向，因此当只考虑地震动的纵向和横向输入时均以东-西向分量作为地震输入;同时考虑纵向和横向双向地震激励时，将东西向分量作为纵向激励，南北向分量作为横向激励。

3 桥梁非线性地震响应分析

将第二节中所选地震动记录分别作用于该桥梁非线性动力分析模拟，通过NewMark方法对桥梁非线性地震响应进行求解，从而得到桥梁结构非线性地震响应。计算工况这里分别考虑纵向地震输入、横向地震输入以及纵向+横向双向地震输入。由于该算例桥梁平面形状的不规则，这里定义0#桥台所在的方向为横桥向，与0#桥台的方向垂直的方向为纵桥向。

图4中以6#墩墩顶的主梁节点为例，分别给出了纵向地震作用、横向地震作用和纵-横向双向地震作用下主梁节点的径向位移地震响应。由于在地震动开始阶段和结束阶段，地震动强度较小，结构的反应也并不是很明显，因此这里仅给出了从10s到50s时间段内结构的地震响应。从图4中可以看到，在纵向和横向双向地震作用下，6#墩墩顶上的主梁节点径向位移峰值达到了352.7mm，而纵向地震作用下，主梁节点径向位移仅为235.3mm，与后者相比，纵向和横向双向地震作用下比其增大了49.9%，纵向和横向双向地震作用下桥梁的地震响应峰值要远大于纵向地震作用或者横向地震作用下主梁节点的地震响应峰值。而且，从图3中还可以看到，在纵向地震作用下，桥梁结构地震响应基本都还在0值附近，并没有发生较为明显的塑性损伤变形，然而在横向和纵向加横向双向地震作用下，桥梁结构都发生了显著的塑性变形，并且纵向和横向双向地震作用下，桥梁地震响应的峰值和残余变形都要远大于仅考虑横向地震作用下的结果。由此说明横向地震作用对桥梁结构的地震响应具有非常显著的影响，当考虑横向地震作用后，桥梁结构的地震响应显著增大。这进一步说明，在匝道曲线梁桥抗震性能分析时应当充分考虑双向地震作用的结果。仅考虑纵向或者横向地震作用时，将会严重低估桥梁结构的地震响应，从而对结构的抗震效应产生误判。