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第6 期（总第2 9 0 期）2023年6 月D0I:10.16799/ki.csdqyfh.2023.06.026城市道桥与防洪URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL桥梁结构考虑减隔震设计的弯桥地震响应分析张晓军（甘肃恒通路桥工程有限公司，甘肃兰州7 30 0 7 0）摘要：为充分了解山区高墩弯桥地震响应特性和抗震性能，以打庆高速打扮1号大桥为工程背景，采用MIDASCIVIL软件建立了计算模型并进行时程分析，研究了地震动入射角和摩擦摆支座对墩顶位移和墩底内力的影响。结果表明，随着地震动人射角的变化，墩顶纵向位移和墩底内力均呈现出先增大后减小的变化趋势，且最大纵向位移并未出现在最高墩的墩顶；摩擦摆支座曲面半径和摩擦系数的变化对墩顶最大纵向位移的影响较弱；当曲面半径一定、摩擦系数取为0.0 1时的墩顶纵向位移和墩底内力均为最大值。关键词：高墩；弯桥；时程分析；人射角；曲面半径中图分类号：U442.5+5文献标志码：B文章编号：10 0 9-7 7 16(2 0 2 3)0 6-0 0 9 4-0 5下部结构的受力；文献 7 的研究结果表明,对于斜交0 引 言连续梁，采用板式橡胶支座且考虑摩擦滑移后，桥面随着我国交通网络的愈加完善，桥梁建造所面位移的转角均会增大，而且还会出现残余转角和位临的环境也更加复杂。为了满足高速公路向山区的移;文献 8 进行了山区高烈度地震区连续刚构桥考虑延伸，高墩弯桥的占比越来越大。简支变连续小箱桥墩和系梁塑性铰及梁端碰撞效应的非线性时程分梁由于可满足不同跨径、桥宽和墩高的要求，同时相析，提出在桥墩中设置一道横梁可以提高下部结构的比于其他类型桥梁其造价较低、施工快捷方便，因此整体刚度，达到减轻梁端碰撞风险的目的。在山区高墩弯桥的建造中得到了广泛的应用 2 。本文以打庆高速打扮1号大桥为研究背景，采用高墩桥梁最显著的特点是墩柱结构的柔性较时程分析法研究了地震动入射角以及摩擦摆支座曲大，因此在地震荷载的作用下，墩柱的变形会十分明面半径和摩擦系数对山区高墩联系弯桥抗震性能的显，尤其是对于斜桥和弯桥等不规则桥梁，地震所带影响，以期为类似工程的设计提供参考。来的的破坏要比直线桥更加显著。2 0 0 8 年汶川地震1工程概况中，百花大桥第5联（全长9 8.6 m）连续弯桥完全倾覆倒塌，不仅造成了严重的经济损失，还对灾后救援带来了极为不利的影响 3。针对高墩弯桥抗震性能，众多学者已经开展了大量有意义的研究工作。文献 4 针对小箱梁的横向抗震性能的改善，提出了板式橡胶支座与钢阻尼器和钢挡块组合的两种减震体系，并针对减震装置屈服力和减震效果间的关系进行了研究，指出钢阻尼器对于不同地震动的输人更加适应。文献 5 采用反应谱法分析了装配式小箱梁下部结构的抗震性能；文献 2 阐述了中烈度区简支变连续小箱梁下部结构抗震设计的要点；文献 6 对比采用板式橡胶支座和铅芯橡胶支座的高架桥的纵向地震响应，结果表明采用减隔震设计体系可以明显的改善连续小箱梁收稿日期：2 0 2 2-0 7-2 1作者简介：张晓军（19 7 8 一），男，本科，高级工程师，从事桥梁施工工作。打扮1号大桥是打（扮梁）-庆（城）高速公路标志性工程之一，该桥位于黄土丘陵沟区的冲沟内，冲沟较为开阔,呈U”字型。本桥平面位于R=800m的右偏圆曲线上，桥面横坡为单向4%；纵断面位于R=15000m的竖曲线上；用8 40 m装配式预应力混凝土连续箱梁，正交布设，桥梁全长32 8.5m。整体式路基单幅桥宽12.5m，为0.5m（护栏）+11.5m（车道）+0.5m，由4片小箱梁组成。限于篇幅仅示意出左幅立面布置，见图1。桥台采用柱式台，1 4号墩和6、7 号墩采用柱式墩，5号桥墩采用空心墩，墩高48.8 m，尺寸为6 m3m，墩台采用桩基础，其余各墩尺寸见表1。小箱梁采用C50混凝土，支座垫石采用C40混凝土，墩身、墩台盖梁采用C35混凝土，承台、桩基采用C30混凝土。桥台及4号桥墩采用GYZF40086型四氟滑板942023年第6 期张晓军：考虑减隔震设计的弯桥地震响应分析城市道桥与防洪KF160型伸缩缝39924000160200180008T式橡胶支座;5号墩(左幅)采用JZQZ-4.0-GD-g150-T2.8-780780220型摩擦摆支座；5号墩（右幅）采用JZQZ-4.0-GD-g150-T2.8-780780220型板式橡胶支座；其余桥墩均采用GJZ45050099型板式橡胶支座。表1桥墩尺寸墩号1号2号3号4号6号7号墩高/m14.7直径/m1.62有限元分析模型2.1 基本模型本文采用MIDASCIVIL软件选择左幅结构建立有限元分析模型。主梁采用折线梁单元模拟，桥墩、桩基础均采用直线梁单元模拟，主梁与桥墩之间的连接采用刚性单元，桩一土相互作用采用等代土弹簧模拟，等代土弹簧的刚度采用“m法”计算。建立模型时还考虑了二期恒载对结构动力特性的影响，将其按均布荷载加载于桥面单元上，并将其转化为质量参与动力特性分析。将整体坐标系的原点取在0#台的中心位置，定义顺桥垂直于0#台的方向为X向，平行于桥台边界线为Y向，竖向为Z向。模型示意如图2 所示。Z2号墩0号台1号墩图2 有限元模型图2.2支座模拟对于支座的模拟，板式橡胶支座采用线性弹簧单元模拟，四氟滑板橡胶支座采用双线性理想弹塑性弹簧单元模拟。两种支座的剪切刚度由式(1)计算 9：k=GA.(1)Zt95式中：Ga为板式橡胶支座的动剪切模量，kN/m；40003992603992200200180元00994000300200088T右地面线1802202200088图1立面布置图（单位：mm）31.333.42.02.04号墩5号墩3号墩4000160OT9T22000285018034.32.06号墩7号墩3992435.515.12.01.68号台A,为橡胶支座的剪切面积,m；Z t为橡胶层的总厚度,m。在MIDASCIVIL软件中，摩擦摆支座采用专门模块进行模拟。根据所用摩擦摆支座型号可知其隔震周期T为2.8 s，依据式(2)可知其摇摆半径R为2.0m;摩擦系数取为0.0 3。T=2 T1g式中：g为重力加速度,取9.8 m/s。2.3地震波选取根据中国地震动参数区划图（GB18306一2015），桥位区地震动峰值加速度为0.0 5g，地震动反应谱特征周期为0.45s。本文选取19 7 1SanFer-nando、19 40 El Ce n t r o 和19 52 KernCounty等3条实测地震波数据进行时程分析，将加速度峰值调整为0.0 5g，结果取3条波中的最大值。限于篇幅，仅示意出一条典型地震加速度时程曲线，如图3所示。0.06 0.040.020.000.02-0.04上-0.0603地震动入射角的影响3.1入射角的确定对于直线桥，地震反应分析需要分别沿顺桥向和横桥向2 个方向输入地震动。而对于曲线桥，可分别考虑沿一联两端桥墩连线（割线）方向和垂直于连线水平方向进行多方向地震动输入，以确定最不利地震响应 9 。本桥平面位于R=800m的右偏圆曲线上，因进行多角度的地震动输人。为了准确分析地震动射角对结构响应的影响，纵向地震动的输入角取为一跨两端桥墩的连线与整体X方向间的夹角，如图4所示。本桥2 联共8 跨，所取的地震动入射角依次取为14、7、10、13、16 19 和2 2。R510图3地震加速度时程曲线(2)1520时间/s25303540城市道桥与防洪X0号台1号墩2号墩3号墩4号墩5号墩6号墩7号墩8号台图4地震动入射角示意图3.2入射角对墩顶位移的影响改变地震动输入角，对相应工况下各墩墩顶的纵向位移进行计算，图5为=1时最高的3个各墩的墩顶位移时程曲线。通过对计算结果进行对比分析发现前三个最大墩顶依次出现在2 号墩、3号墩和4号墩，各墩墩顶位移与地震动输入角之间的变化关系如图6 所示。同时并提取出2 号墩出现最大位移时（=7)其他各墩的位移结果，见图7。40200-20-400525150454443.1图6 地震动入射角一墩顶位移变化关系结合图5至7 可以看出，随着地震动输人角的增加，各墩的墩顶位移均呈现出先增大后减小的趋势，其中3号墩的最大位移达到了51.5mm，出现在=7时；最小为50.3mm，出现在=22时；2 号墩和4号墩的最大位移分别为45.9 mm和44.7 mm，出现在=10和=13时，最小位移分别为45.0 mm和43.7mm,出现在=22和=1时。定义如式（3)所示的位移响应变化率，对于2 号墩，地震动输人角变化时其墩顶位移的最大变化率张晓军：考虑减隔震设计的弯桥地震响应分析51.45045.840302015.21001号墩2号墩3号墩4号墩5号墩6号墩 7号墩桥墩位置图7 墩顶纵向位移(=7）为1.8%，3号墩和4号墩分别为2.4%和2.2%。即3号墩不仅墩顶位移最大，同时对地震动输入角变化的响应也更为明显。一4号墩-5号墩-一-6号墩510图5墩顶位移时程曲线51.545.947地震动输入角/（）2023 年第6 期6044.68=最大响应量-最小响应量最小响应量3.3入射角对墩底内力的影响根据初步分析，墩底最大弯矩和最大剪力均出现在5号墩。图8 为地震动人射角与5号墩墩底的纵向弯矩和纵向剪力的变化关系曲线。需要说明的是，此处的纵向是针对5号墩所定义的局部坐标系（OYZ)而言，局部坐标图示如图4所示。278001520时间/s44.7101342.3100%25302号墩-3号墩-.4号墩50.345.0161942.627788.927600(UN)/联274002720027000111702211641158114611401图8 地震动入射角一墩底内力变化关系由图8 可看出，5号墩的墩底弯矩和剪力随着地震动人射角的变化呈现出先增大后减小的变化趋9621.7(3)26929.841138.747地震动入射角/（）(a)弯矩1168.2710地震动入射角/（）(b)剪力1013131616191922222023年第6 期张晓军：考虑减隔震设计的弯桥地震响应分析城市道桥与防洪势，地震动人射角=1时得到的墩底内力为最小值。但是墩底最大弯矩和最大内力并非同时出现，前者在=16时出现，而后者在=13时出现。相较于地震动人射角=1的最小值，墩底最大弯矩相差了2.6%，最大剪力相差了1.7%。4摩擦摆支座参数敏感性分析4.1摩擦摆支座参数取值合理的抗震设计，要求结构在强度、刚度以及延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标 10-1。为分析摩擦摆支座不同参数取值对结构地震反应的影响，曲面半径R分别取25.5m，摩擦因数u分别取0.0 2 0.0 5进行分析 12 。4.2墩顶位移变化根据4.1节所定参数进行计算，并分析不同参数组合下墩顶位移的变化情况，限于篇幅，仅给出R=3.0m、不同的摩擦系数u下各墩的纵向位移量，见图8。图9 所示为不同参数下摩擦摆支座所在墩（5号墩)墩顶纵向位移的变化情况。50403020101号墩2 号墩3号墩4号墩5号墩6墩号图9 墩顶位移变化（R=3m）由图9 可以看出，摩擦系数的变化主要影响的是5号墩及附近墩的墩顶最大位移，就R=3.0m而言，不同值下4号墩墩顶纵向位移的变化量为2.5mm，5号墩和6 号墩依次为5.4mm和3.6 mm。在本文所分析的参数变化范围内，当R=3.5m时,对5号墩墩顶纵向位移的影响最大，可达到9.0 mm。由图10 可以看出，当=0.01时，5号墩墩顶位移为任一R值下的最大值，当增加至0.0 2 时,墩顶位移迅速减小，尤以R=5.0m最为明显，减小幅度达到了2 0.8%；R=4.5m时减小幅度最弱，为7.0%。另外，根据分析结果，摩擦摆支座参数的变化对墩顶最大位移的影响程度十分微弱，本文分析结果中墩顶最大位移的差距不会超过2 mm。525048U/46444240L0.014.3墩底内力变化提取不同参数组合下5号墩墩底的纵向剪力和弯矩计算