揭志羽，衛(wèi)星，李亞東，顧穎

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，施工技術(shù)不斷完善和鐵路建造標(biāo)準(zhǔn)的提高，更多地考慮鐵路線形的要求。曲線橋所以現(xiàn)在廣泛地用于鐵路橋梁中，考慮到各方面的因素，剛構(gòu)－連續(xù)組合梁橋比單一的剛構(gòu)橋和連續(xù)梁橋具有一定的優(yōu)勢。由于剛構(gòu)－連續(xù)組合曲線梁橋的設(shè)計(jì)參數(shù)會對其地震響應(yīng)產(chǎn)生很大的影響。國內(nèi)外的學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究［1－12］，但是，對鐵路橋梁中的剛構(gòu)－連續(xù)組合曲線梁橋的研究則很少。本文主要研究不同的設(shè)計(jì)參數(shù)如曲線半徑、橋墩墩高及墩梁連接方式等對于剛構(gòu)－連續(xù)組合曲線梁橋地震響應(yīng)的影響，為今后該類型的鐵路曲線橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 工程背景

某鐵路橋主橋采用剛構(gòu)—連續(xù)組合梁，跨徑組合(40+6×80+40)m，橋墩編號為7號墩至15號臺，7號墩為主橋與簡支梁的交界墩。主橋橋墩墩高及墩梁連接情況見表1，9號墩最高，墩高89 m。10號、11號、12號橋墩與主梁固結(jié)，形成剛構(gòu)，主橋支座采用球形支座，主橋總體布置圖見圖1。該橋橋上線路為圓曲線(第1跨到第5跨，半徑600 m)+緩和曲線(第6跨到第7跨一半)+直線(第7跨一半到第8跨)，建成后將是國內(nèi)曲線半徑最小、聯(lián)數(shù)最多、跨度最大的雙線鐵路橋。梁體采用C55混凝土，所有墩臺采用C40混凝土，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，設(shè)計(jì)荷載為雙線ZK活載，線路縱坡為－24‰。表1給出了各橋墩與主梁約束方式。

圖1 主橋總體布置圖Fig.1 The overall arrangement plan of bridg

表1 主橋橋墩墩高及墩梁連接情況Table 1 The height of pier and the connection of pier and girder

2 結(jié)構(gòu)動力特性敏感性分析

利用ANSYS，建立主橋空間有限元分析模型，如圖2所示。主梁及橋墩采用梁單元BEAM188模擬。利用質(zhì)量單元MASS21考慮二期恒載等質(zhì)量作用。采用彈簧－阻尼單元COMBIN14模擬樁基土剛度。采用門式剛架來模擬樁－土相互作用。

圖2 全橋有限元模型Fig.2 FEM model

2.1 曲線半徑對動力特性的影響

根據(jù)主橋基本設(shè)計(jì)參數(shù)，僅改變上部結(jié)構(gòu)曲線半徑，利用ANSYS建立7種不同曲線半徑下(∞，1200，1000，800，600，450和 300 m)的橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元模型，分析得到結(jié)構(gòu)自振頻率及振型。表2給出了部分不同曲線半徑下的自振頻率和振型。

表2 部分不同曲線半徑的自振頻率和振型Table 2 The natural vibration frequencies and vibration modes of partial different curve radiuses

動力分析表明，曲線半徑大小對橋墩振動特性影響較小，橋墩低階自振頻率數(shù)值基本不受曲線半徑影響。曲線半徑在300 m～1200 m變化時(shí)，(1)結(jié)構(gòu)的一階振型均為縱飄，總體上曲線半徑對一階自振頻率影響不大，頻率差小于1%;(2)梁體橫彎自振頻率隨著曲線半徑的增大而有所增加，但增幅越來越小;(3)梁體豎彎自振頻率隨著曲線半徑的增大而稍有增加。

2.2 墩高對結(jié)構(gòu)動力特性影響

據(jù)主橋基本設(shè)計(jì)參數(shù)，通過同時(shí)改變所有橋墩高度，利用ANSYS建立5種不同墩高調(diào)整量條件下(－20 m，－10 m，0 m，+10 m和+20 m)的橋梁結(jié)構(gòu)空間有限元模型，分析得到結(jié)構(gòu)自振頻率及振型。圖3所示為部分橋墩縱彎自振頻率隨墩高調(diào)整量的變化曲線。

圖3 部分橋墩縱彎自振頻率隨墩高調(diào)整量的變化曲線Fig.3 The natural vibration frequencies of longitudinal flexure of pier with the adjusted quantity of piers height

動力分析表明，墩高調(diào)整量在－20～+20 m變化時(shí)，結(jié)構(gòu)的一階振型均為縱飄，橋墩高度對橋墩振動特性影響較大，隨著橋墩高度增加縱彎自振頻率顯著減小;梁體橫彎自振頻率隨著墩高的增大而減小;梁體豎彎自振頻率隨著墩高的增大而減小。

2.3 墩梁約束方式對結(jié)構(gòu)動力特性影響

為研究橋梁墩梁約束方式對結(jié)構(gòu)動力特性影響，利用ANSYS分別建立7種不同約束方式(見表3)的橋梁空間有限元模型，分析得到結(jié)構(gòu)前10階自振頻率及振型(“1”表示約束，“0”表示不約束，依次表示X(縱向)、Y(橫向)、Z(豎向)方向的位移和轉(zhuǎn)角，橋梁的原設(shè)計(jì)約束是5)。

表3 墩梁約束方式Table 3 The constraints of pier and girder

動力分析表明，墩梁連接方式對結(jié)構(gòu)動力特性影響較大:(1)墩梁間的縱向約束對結(jié)構(gòu)縱飄頻率影響較大，縱向約束越多縱飄自振頻率越大;(2)墩梁間的轉(zhuǎn)角約束對梁體豎彎頻率影響較大，轉(zhuǎn)角約束越多豎彎自振頻率越大;(3)墩梁約束方式對橋墩自身縱彎頻率基本無影響，橋墩縱向受約束后，不出現(xiàn)單獨(dú)縱彎振型。

3 地震響應(yīng)對設(shè)計(jì)參數(shù)的敏感性分析

根據(jù)《中國地震動區(qū)劃圖》［13］劃分，橋址區(qū)地震動峰值加速度0.05g，對照地震基本烈度為6度，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35 s。按照《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［14］抗震設(shè)防等級為7級，抗震重要性系數(shù)Ci為:多遇地震作用下1.5，設(shè)計(jì)地震作用下1.0，罕遇地震作用下1.0。結(jié)構(gòu)自振周期小于2 s，且阻尼比ξ=0.05時(shí)，動力放大系數(shù)β由下式?jīng)Q定:

式中:Tg為特征周期，取Tg=0.35 s;A為水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，A=Ciβα;Ci為橋梁重要性系數(shù);α為水平地震基本加速度，取0.05 g。圖4所示為水平加速度反應(yīng)譜曲線。

圖4 水平加速度反應(yīng)譜曲線Fig.4 The response spectrum curve of horizontal acceleration

3.1 不同曲線半徑分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，圖5～8所示為不同曲線半徑(300～1200 m)下縱橋向激勵下的墩頂、中跨跨中縱向位移及墩底面內(nèi)彎矩，橫橋向激勵下的墩頂、中跨跨中橫位移及墩底面外彎矩。

圖5 縱橋向激勵下的縱向位移Fig.5 The longitudinal displacement by the incentive along the bridge

圖6 橫橋向激勵下的橫向位移Fig.6 The transverse displacement by the incentive cross the bridge

圖7 縱橋向激勵下的橋墩墩底面內(nèi)彎矩Fig.7 In－plane moment of the bottom of pier by the incentive along the bridge

縱橋向反應(yīng)譜作用下，中跨跨中截面的縱向位移隨著曲線半徑的增加而增加。7號、8號及9號橋墩墩頂縱向位移隨著曲線半徑的增加而增加，13號及14號橋墩墩頂縱向位移隨著曲線半徑的增加而有所減小;橋墩墩底截面面內(nèi)彎矩隨著曲線半徑的增加有所增大，半徑大于600 m之后的增加量很小。

橫橋向反應(yīng)譜作用下，中跨跨中截面的橫向位移隨著曲線半徑的增加先增加后減小，半徑超過450m后橫向位移變化不大。除8號橋墩外，其他橋墩墩頂橫向位移隨著曲線半徑的增加而增加;除8號、11號橋墩之外的橋墩墩底截面面外彎矩隨著曲線半徑的增加而增加。

圖8 橫橋向激勵下的橋墩墩底面外彎矩Fig.8 Out－ plane moment of the bottom of pier by the incentive cross the bridge

3.2 不同墩高反應(yīng)譜分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，圖9～12給出了不同墩高調(diào)整量下縱橋向激勵下的墩頂、中跨跨中縱向位移及墩底面內(nèi)彎矩，橫橋向激勵下的墩頂、中跨跨中橫位移及墩底面外彎矩。

圖9 縱橋向激勵下的縱向位移Fig.9 The longitudinal displacement by the incentive along the bridge

圖10 橫橋向激勵下的橫向位移Fig.10 The transverse displacement by the incentive cross the bridge

圖11 縱橋向激勵下的橋墩墩底面內(nèi)彎矩Fig.11 In－plane moment of the bottom of pier by the incentive along the bridge

圖12 橫橋向激勵下的橋墩墩底面外彎矩Fig.12 Out－ plane moment of the bottom of pier by the incentive cross the bridge

縱橋向反應(yīng)譜作用下，中跨跨中截面的縱向位移隨著墩高增加有所增加;橋墩墩頂位移和墩底面內(nèi)彎矩呈非單調(diào)性變化，無明顯的變化規(guī)律。

橫橋向反應(yīng)譜作用下，中跨跨中截面的橫向位移隨著墩高增加先增加后減小再增加。除了7號橋墩外，其他的橋墩墩頂橫向位移隨著墩高增加先增加后減小再增加，7號橋墩墩頂橫向位移隨著墩高增加先增加后減小;7～13號橋墩墩底截面的面外彎矩隨著墩高的增加先增大后減小。

3.3 不同約束方式反應(yīng)譜分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，圖13～16所示為7種約束方式下縱橋向激勵下的墩頂、中跨跨中縱向位移及墩底面內(nèi)彎矩，橫橋向激勵下的墩頂、中跨跨中橫位移及墩底面外彎矩。

縱向反應(yīng)譜作用下，中跨跨中截面的縱向位移隨著墩梁約束關(guān)系的增加與加強(qiáng)先減小后增大再減小。分別在墩梁連接方式等于1和7下，達(dá)到最大值和最小值。7號墩墩頂?shù)目v向位移隨著墩梁約束方式的增加與加強(qiáng)而減小，8號、9號、13號墩頂縱向位移隨著墩梁約束方式的增加與加強(qiáng)而先增大后減小，分別在墩梁連接方式等于1和3下達(dá)到最大值。7和8號橋墩墩底截面的面內(nèi)彎矩隨著墩梁約束方式的增加與加強(qiáng)而增大，其他橋墩墩底截面的面內(nèi)彎矩隨著墩梁約束方式的增加與加強(qiáng)的變化規(guī)律較復(fù)雜。

圖13 縱橋向激勵下的縱向位移Fig.13 The longitudinal displacement by the incentive along the bridge

圖14 橫橋向激勵下的橫向位移Fig.14 The transverse displacement by the incentive cross the bridge

圖15 縱橋向激勵下的橋墩墩底面內(nèi)彎矩Fig.15 In－plane moment of the bottom of pier by the incentive along the bridge

圖16 橫橋向激勵下的橋墩墩底面外彎矩Fig.16 Out－ plane moment of the bottom of pier by the incentive cross the bridge

橫向反應(yīng)譜作用下，中跨跨中截面的橫向位移隨著墩梁約束關(guān)系的增加與加強(qiáng)而減小。分別在墩梁連接方式等于4和7下，達(dá)到最大和最小值。7～9號橋墩墩頂橫向位移隨著墩梁約束關(guān)系的增加與加強(qiáng)先增大后減小。在墩梁連接方式等于6下達(dá)到最大值。7～9號和11～12號橋墩墩底截面的面外彎矩，隨著墩梁約束方式的增加與加強(qiáng)先增大后減小。其他橋墩墩底截面的面外彎矩隨著墩梁約束方式的增加與加強(qiáng)的變化規(guī)律較復(fù)雜。

4 結(jié)論

(1)在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)改變曲線半徑對橋梁的自振頻率影響較小，橋梁墩高的改變以及墩梁約束方式的改變對橋梁的自振頻率產(chǎn)生較大的影響。

(2)曲線半徑在600～1200 m變化時(shí)，中跨跨中截面、橋梁墩頂截面的位移和墩底截面彎矩的地震響應(yīng)變化非常小。

(3)在縱向反應(yīng)譜作用下，橋墩墩高的改變對地震響應(yīng)的變化規(guī)律比較復(fù)雜，在橫向反應(yīng)譜作用下，地震響應(yīng)有一定的變化規(guī)律。

(4)總的來說，在縱、橫向反應(yīng)譜作用下，墩梁約束方式為約束7的地震響應(yīng)最小，但綜合考慮溫度、制動力學(xué)因素，應(yīng)該是原設(shè)計(jì)約束5最優(yōu)。

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