鋼管混凝土組合桁梁橋近、遠(yuǎn)場抗震性能

蒲北辰，周緒紅，劉永健，劉 彬

(1. 長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064； 2. 中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000； 3. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

0 引 言

大跨高墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋是中國西部山區(qū)公路橋梁的主流橋型之一，但在長期服役過程中該橋型出現(xiàn)了跨中下?lián)?、腹板開裂等病害，嚴(yán)重影響了橋梁的耐久性和運(yùn)營安全；同時(shí)，西部地區(qū)地震帶分布廣泛，地震活動頻繁，橋梁結(jié)構(gòu)面臨近場地震(靠近活動斷層區(qū)域的地震動)的嚴(yán)重威脅，而近場地震對結(jié)構(gòu)的耗能要求較高。為有效解決預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)病害和滿足高烈度地震作用下結(jié)構(gòu)的抗震需求，上、下部結(jié)構(gòu)均采用鋼管混凝土構(gòu)件的新型組合桁梁橋應(yīng)運(yùn)而生，此橋型上部結(jié)構(gòu)采用裝配化速度快、承載能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度大的矩形鋼管混凝土組合桁梁[1-6]，下部結(jié)構(gòu)采用受壓力學(xué)性能好、延性變形能力強(qiáng)、抗震性能佳的格構(gòu)式鋼管混凝土組合橋墩[7-10]，是一種非常適宜于西部山區(qū)橋梁建設(shè)的理想橋型。

國內(nèi)外已建成采用鋼管混凝土組合桁梁、組合橋墩的橋梁工程有瑞士Lully高架橋[11]、西班牙Ulla高速鐵路橋[12]、湖北姊歸向家壩大橋、重慶萬縣萬州大橋[13]、四川雅安干海子大橋[14]、黃延高速K15+644.312跨線橋[15]和雅瀘高速臘八斤特大橋[16]，其中雅瀘高速臘八斤特大橋跨徑布置為105 m+2×200 m+105 m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，下部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土組合高墩，墩梁固結(jié)，最大墩高達(dá)182.5 m，是鋼管混凝土組合橋墩在工程領(lǐng)域的一次成功嘗試。

科學(xué)研究方面學(xué)者對鋼管混凝土組合橋墩抗震性能已經(jīng)開展了一系列研究工作。吳慶雄等[17]以干海子大橋?yàn)樵?，對其進(jìn)行了精細(xì)化有限元分析、實(shí)橋測試和幾何縮尺比例為1∶8的振動臺模型試驗(yàn)，研究表明：對于鋼管混凝土格構(gòu)墩，塑性鉸可能出現(xiàn)在混凝土腹板和墩底2個(gè)區(qū)域；模型試驗(yàn)顯示鋼管混凝土格構(gòu)墩的耗能變形減小了主梁的地震位移響應(yīng)，格構(gòu)墩具有良好的抗震性能。楊曉等[18]進(jìn)行了鋼管混凝土組合長柱的抗震性能試驗(yàn)，結(jié)果表明，灌混凝土組合柱的耗能能力要高于空鋼管組合柱。陳伯望等[19]完成了2個(gè)四肢方鋼管混凝土格構(gòu)柱和1個(gè)四肢圓鋼管混凝土格構(gòu)柱的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綴管與柱肢的連接撕裂是鋼管混凝土格構(gòu)柱的主要破壞形態(tài)，鋼管混凝土格構(gòu)柱均有良好的綜合抗震性能。王燦[20]基于OpenSees軟件對薄壁鋼箱混凝土橋墩進(jìn)行數(shù)值分析，研究了不同軸壓比、長徑比、截面含鋼率等參數(shù)對空、實(shí)心截面薄壁鋼箱混凝土橋墩骨架曲線的影響規(guī)律。呂西林等[21]介紹了可更換耗能裝置在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，為橋墩提高強(qiáng)度、剛度和大震作用下保持彈性提供了一種設(shè)計(jì)思路。楊有福等[22]指出，進(jìn)行格構(gòu)式鋼管混凝土構(gòu)件抗震性能研究的關(guān)鍵在于強(qiáng)非線性條件下滯回性能分析理論與模型的建立。

總的來說，鋼管混凝土組合桁梁橋抗震性能的已有研究大多著眼于構(gòu)件層面，而且對近場地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的研究很少。本文基于對傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的優(yōu)化，提出了新型鋼管混凝土組合桁梁橋，并以西部地區(qū)典型高墩大跨非規(guī)則連續(xù)剛構(gòu)橋作為研究對象，對近、遠(yuǎn)場地震荷載作用下預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋、預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)優(yōu)化橋型(只下部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土組合橋墩)、新型鋼管混凝土組合桁梁橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行有限元對比分析，研究結(jié)果可為鋼管混凝土組合桁梁橋在近、遠(yuǎn)場高震區(qū)的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景

研究工程背景為西部地區(qū)某非規(guī)則高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為70 m+130 m+70 m，橋?qū)?5.2 m，其中上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室大箱梁斷面，下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土板式墩，左墩墩高80 m，右墩墩高60 m。

為改善連續(xù)剛構(gòu)橋(設(shè)計(jì)方案1)的靜力性能和抗震性能，現(xiàn)提出設(shè)計(jì)方案2——連續(xù)剛構(gòu)優(yōu)化橋型(只下部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土組合橋墩)和設(shè)計(jì)方案3——鋼管混凝土組合桁梁橋(表1)，各設(shè)計(jì)方案橋型布置和橫斷面布置見圖1，2。

表1 橋型方案Tab.1 Bridge Type Schemes

2 地震波選取

橋址處地震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)加速度為0.2g(g為重力加速度)。為了考慮近、遠(yuǎn)場地震的差異，遠(yuǎn)場地震波的選取依據(jù)橋梁所處場地條件及地震烈度進(jìn)行，近場地震波選取結(jié)合場地效應(yīng)和脈沖特性進(jìn)行。

地震波具有復(fù)雜的頻譜特性，相對于遠(yuǎn)場地震而言，近斷層地震動具有斷層破裂的強(qiáng)方向性效應(yīng)、滑沖效應(yīng)、上盤效應(yīng)以及大幅值豎向加速度特性等顯著區(qū)別于遠(yuǎn)場地震動的特征。因此，為了分析近、遠(yuǎn)場地震作用下橋梁的地震響應(yīng)，分別選取3條近、遠(yuǎn)場地震波對結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力響應(yīng)分析。為了確保地震波的代表性和科學(xué)性，本文按照以下原則進(jìn)行地震波的選?。孩侔凑諛蛄核幍膱龅貤l件，場地類別選為Ⅲ類場；②所在地震事件的震級大于6.0級；③加速度峰值大于等于0.1g；④所選記錄的反應(yīng)譜及卓越周期接近，近場記錄的卓越周期接近于0.7 s，遠(yuǎn)場記錄的卓越周期接近于0.4 s；⑤對于近場記錄，其所在臺站的斷層投影距離不大于10 km,具有明顯的長周期脈沖波形，且速度峰值與加速度峰值的比值大于0.1；⑥對于遠(yuǎn)場記錄，其斷層距應(yīng)大于30 km。

根據(jù)上述原則，分別選取了3條具有明顯脈沖效應(yīng)的近場地震波和3條遠(yuǎn)場地震波，各條地震波的基本參數(shù)如表2所示。圖3，4分別列出了近、遠(yuǎn)場地震波的加速度和速度時(shí)程曲線，可以看出近場地震波的速度時(shí)程曲線存在明顯的脈沖效應(yīng)，而遠(yuǎn)場地震波頻譜分布較均勻。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析時(shí)，各地震波加速度峰值統(tǒng)一調(diào)整為0.2g。為簡化起見，僅考慮水平向地震動作用，不考慮豎向地震動作用以及地震動作用的空間組合。各條地震波的加速度反應(yīng)譜及近、遠(yuǎn)場均值譜(阻尼比取為5%)如圖5所示，從圖5可看出，2類地震波的頻譜特性存在明顯差異。

3 不同橋型方案地震響應(yīng)對比

各橋型方案的抗震分析采用大型有限元軟件MIDAS/Civil來進(jìn)行，為提高計(jì)算效率，主梁、橋墩均采用桿系單元模擬(圖6)。各橋型方案均采用剛構(gòu)體系，地震作用下主梁協(xié)同橋墩一起受力，位移最大值一般出現(xiàn)在墩頂，內(nèi)力反應(yīng)最大值一般出現(xiàn)在墩底；同時(shí)，高墩較低墩地震響應(yīng)明顯。因此，本文在進(jìn)行抗震分析時(shí)，主要關(guān)注高墩的墩頂位移、墩底彎矩及墩底剪力等地震響應(yīng)指標(biāo)。

3.1 近場地震作用下不同橋型地震響應(yīng)對比

選取脈沖效應(yīng)明顯的近場地震波H-E07140作為輸入荷載，對3種橋型方案的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對比。

圖7為地震作用下各橋型方案高墩墩頂位移、墩底彎矩及墩底剪力的時(shí)程曲線。由圖7(a)可知，在相同近場地震波作用下，方案2墩頂位移峰值最大，方案3次之，方案1最??；由圖7(b)，(c)可知，墩底彎矩及剪力時(shí)程曲線規(guī)律恰好與墩頂位移時(shí)程曲線相反，方案1橋墩彎矩峰值和剪力峰值最大，方案3略小于方案2。

在煤焦化、稀土、鋰電池等行業(yè)的高氨氮廢水處理中汽提-精餾技術(shù)被廣泛使用［9-12］，采用雙效精餾節(jié)能效果可接近50%，結(jié)合垃圾填埋場高氨氮滲瀝液的特性，擬采用汽提-精餾耦合技術(shù)對高氨氮滲瀝液進(jìn)行中試試驗(yàn)。先針對高氨氮滲瀝液進(jìn)行小試研究，根據(jù)小試結(jié)果探討基于ASPEN計(jì)算的高氨氮滲瀝液汽提精餾耦合脫氨中試工藝的設(shè)計(jì)［13-16］。

表2 所選取的近、遠(yuǎn)場地震波Tab.2 Selected Near-field and Far-field Earthquake Waves

注：Ap為加速度峰值；Vp為速度峰值。

圖8為各橋型方案橋墩位移、彎矩及剪力沿墩高方向的地震響應(yīng)分布。從橋墩位移分布可以看出，各方案均是墩頂位移最大，方案2、方案3墩頂位移分別比方案1增加38.4%，30.6%。各方案橋墩最小彎矩位置均出現(xiàn)在墩身中部，方案1最大彎矩位置出現(xiàn)在墩頂，而方案2、方案3均出現(xiàn)在墩底，方案2、方案3最大彎矩分別為方案1的79.7%，58.1%；各方案橋墩最大剪力位置均出現(xiàn)在墩底，方案2、方案3最大剪力分別為方案1的38.0%，33.9%。

3.2 遠(yuǎn)場地震作用下不同橋型地震響應(yīng)對比

由于遠(yuǎn)場地震的頻譜特性與近場地震差異較大，為了驗(yàn)證地震作用下不同橋型方案結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律的普遍性，選取遠(yuǎn)場地震波H-C06000作為輸入荷載，分析3種橋型方案的結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

圖9為遠(yuǎn)場地震作用下各橋型方案高墩墩頂位移、墩底彎矩及墩底剪力的時(shí)程曲線。由圖9可知，在相同遠(yuǎn)場地震波作用下，各橋型方案位移、內(nèi)力響應(yīng)規(guī)律基本與近場地震作用下保持一致。

圖10為各橋型方案橋墩位移、彎矩及剪力沿墩高方向的分布。從圖10可以看出，各橋型方案的地震響應(yīng)分布規(guī)律與近場地震很相似。遠(yuǎn)場地震作用下，方案1的最大位移為2.4 cm，方案2、方案3比方案1增加14%，15%。從橋墩彎矩分布可以看出，各方案橋墩最小彎矩位置均出現(xiàn)在墩身中部，方案1最大彎矩位置出現(xiàn)在墩頂，而方案2、方案3均出現(xiàn)在墩底，方案2、方案3最大彎矩分別為方案1的85.1%，62.5%；各方案橋墩最大剪力位置均出現(xiàn)在墩底，方案2、方案3最大剪力分別為方案1的29.0%，23.6%。

通過上述分析可知，無論是在近場地震還是遠(yuǎn)場地震作用下，方案1橋墩位移均要小于方案2、方案3，而方案2、方案3的彎矩、剪力要顯著低于方案1，表明格構(gòu)式鋼管混凝土橋墩延性變形能力要明顯高于普通鋼筋混凝土板式墩，耗能變形致使結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)內(nèi)力下降明顯。

4 同一橋型方案地震響應(yīng)對比

大幅值、長周期脈沖作用是近場地震的重要表現(xiàn)特征，這些顯著特征導(dǎo)致地震能量以遞增的形式傳遞，難以在短時(shí)間內(nèi)耗散，會對橋梁結(jié)構(gòu)造成更加嚴(yán)重的破壞。相關(guān)研究均表明，近斷層地震下的結(jié)構(gòu)震害顯著區(qū)別于遠(yuǎn)場。因此，有必要對比分析結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場地震激勵(lì)下的響應(yīng)差異。

圖11，12分別為各橋型方案在6條近、遠(yuǎn)場地震波作用下的位移和彎矩時(shí)程曲線。由圖11可知，近場地震作用下橋墩墩頂位移明顯大于遠(yuǎn)場地震。由圖12可知，彎矩時(shí)程具有與位移類似的分布特征，近場地震作用下橋墩墩底彎矩要遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)場地震，是遠(yuǎn)場地震的數(shù)倍。

圖13為各橋型方案在近、遠(yuǎn)場地震作用下位移沿墩高方向的分布。由圖13可知，各類地震波作用下橋墩位移的分布趨勢基本一致，但遠(yuǎn)場地震作用下墩頂位移較小，近場地震作用下的位移呈明顯增大趨勢。近場地震波H-E07140，H-EMO000和RRS228作用下，方案1橋墩最大位移分別為22.3，31.7，14.5 cm，方案2橋墩最大位移分別為方案1的127.7%，86.1%，88.7%，方案3橋墩最大位移分別為方案1的120.2%，91.8%，90.4%。遠(yuǎn)場地震波BAD3000，BRC000和H-C06000作用下方案1橋墩最大位移分別為7.3，4.0，3.1 cm，方案2橋墩最大位移分別為方案1的72.6%，85.0%，74.2%，方案3橋墩的最大位移分別為方案1的75.3%，65.0%，74.2%。方案1在近、遠(yuǎn)場地震作用下的位移均值分別為22.8 cm和4.8 cm，方案2在近、遠(yuǎn)場地震作用下的位移均值分別為23.3 cm和3.7 cm，方案3在近、遠(yuǎn)場地震作用下的位移均值分別為23.3 cm和3.5 cm。

圖14為各橋型方案在近、遠(yuǎn)場地震波作用下彎矩沿墩高方向的分布。由圖14可知，在近場地震波H-E07140，H-EMO000和RRS228作用下，方案1墩頂彎矩分別為58 603，106 608，31 097 kN·m，方案2墩頂彎矩分別為方案1的42.7%，21.7%，72.8%，方案3墩頂彎矩分別為方案1的28.3%，19.0%，24.5%。遠(yuǎn)場地震作用下方案1墩頂彎矩分別為19 714，25 418，26 903 kN·m，方案2墩頂彎矩分別為方案1的25.3%，27.1%，26.7%；方案3墩頂彎矩分別為方案1的15.6%，13.6%，12.4%。方案1在近、遠(yuǎn)場地震作用下的彎矩均值分別為65 436 kN·m和24 011 kN·m，方案2在近、遠(yuǎn)場地震作用下的彎矩均值分別為23 609 kN·m和6 347 kN·m，方案3在近、遠(yuǎn)場地震作用下的彎矩均值分別為14 819 kN·m和3 288 kN·m。

通過上述分析可知：各橋型方案橋墩在近場地震作用下的位移響應(yīng)均明顯大于遠(yuǎn)場地震作用下的位移響應(yīng)，最大增幅高達(dá)5.7倍，且近場地震作用下位移時(shí)程曲線存在明顯的脈沖效應(yīng)，而遠(yuǎn)場地震作用下位移時(shí)程曲線則比較平緩；各橋型方案橋墩地震響應(yīng)內(nèi)力近場地震亦要明顯大于遠(yuǎn)場地震，彎矩最大增幅高達(dá)3.5倍。

5 結(jié) 語

(1)為解決傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)病害和抗震問題，提出了新型鋼管混凝土組合桁梁橋結(jié)構(gòu)形式。

(2)新型鋼管混凝土組合桁梁橋和下部結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土格構(gòu)式橋墩的連續(xù)剛構(gòu)優(yōu)化橋型其抗震性能均要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，新型鋼管混凝土組合桁梁橋抗震性能更為優(yōu)越，與傳統(tǒng)混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋相比近場地震作用下彎矩、剪力下降分別達(dá)41.9%，66.1%，遠(yuǎn)場地震作用下彎矩、剪力下降分別達(dá)37.5%，76.4%。

(3)近場地震作用下結(jié)構(gòu)輸入的地震能量大幅增加，無論是傳統(tǒng)連續(xù)剛構(gòu)橋、還是連續(xù)剛構(gòu)優(yōu)化橋型以及新型鋼管混凝土組合桁梁橋其橋墩地震響應(yīng)位移及內(nèi)力均顯著增加，位移最大增幅高達(dá)5.7倍，彎矩最大增幅高達(dá)3.5倍。

(4)相對短周期的剛性橋梁，近場地震對柔性體系橋梁的作用更為明顯，對新型鋼管混凝土組合桁梁橋進(jìn)行近場地震波作用下的振動臺試驗(yàn)研究是下一步的研究方向。