大跨度连续刚构桥动力特性研究

0 引言

随着公路建设的快速发展，跨越高山大河的高墩大跨度桥梁日见增多。王家庄连续刚构桥地处频繁地震区，地震灾害较易发生，其抗震设计尤为重要。结构自振特性是其本身固有属性，对结构的自振特性进行分析是桥梁抗震研究中的重点，了解结构自振特性是进一步分析地震反应的前提[1，2]。卢三平等认为需对桥墩墩顶与墩底区域加强钢筋约束，用于提高墩体的延性[3]。为了查明在特定地震作用下，对该桥结构的自振特性以及动力特性的影响。本文以郑州至登封快速通道改建工程中的王家庄连续刚构桥为背景，利用三维有限元软件MIDASCivil 2015对该桥进行动力特性分析，并得出相关结论，为同类桥梁抗震设计提供参考。

1 工程概况

王家庄连续刚构桥位于河南省郑州市。该桥上部结构为（60+100+60）m变截面箱梁，下部结构采用双肢薄壁墩，基础为钻孔灌注桩基础。其主跨跨越王家庄水库，其中7#、8#桥墩高分别为44m和41m。主桥左、右幅均为单箱双室变截面连续刚构箱梁，箱梁横截面为单箱双室直腹板，箱梁采用挂篮悬臂浇筑施工。图1、图2为该桥桥型布置图和标准横断面图。

图1 王家庄连续刚构桥桥型布置图（单位：m）

图2 王家庄连续刚构桥标准横断面（单位：m）

2 有限元模型建立

有限元法本质是数值计算的一种方法，将结构分为若干个有限单元体，然后对有限单元组合体进行分析。本文使用MIDASCivil 2015对该桥进行有限元结构分析，其结构简单，主要由墩、梁、基础三部分固结为一体共同受力。该桥主梁左右对称，根据悬臂挂篮浇筑节段共划分为87个节点、86个单元；两薄壁墩分别由22个单元组成。每根桩基础依据长度划分为25个单元，全桥共计787个节点、756个单元。该桥有限元模型如图3所示。

图3 有限元分析模型

依据JTGB02-2013《公路工程抗震规范》5.6.7规定[4]，需将主墩分割为3个以上的单元。群桩基础，考虑桩土共同作用，桩-土作用采用“m”法进行模拟。

3 自振特性分析

对王家庄大桥施加特定地震波1（1940，E1 Centro Site，270 Deg）、特定地震波 2（1952，Taft Lincoln school，Vertical）以及一条人工地震波3见图4～图6。

图4 1940，E1 Centro Site，270 Deg地震波函数

图5 1952，Taft Lincoln school，Vertical地震波函数

图6 人工地震波函数

表1列出了该桥前6阶自振特性，图 7（a）～（f）为前6阶振型模态图。

表1 王家庄大桥前6阶自振特性模态号 周期/s 频率/Hz 振型特征15.09 0.20 体系纵飘23.77 0.27 体系对称竖弯32.57 0.39 体系横向对称竖弯42.40 0.42 体系反对称竖弯51.80 0.56 体系对称竖弯65.09 0.20 体系纵飘

图7 前6阶振型模态图

由表 1 及图 7（a）～（f），第 1 阶振型为该桥基本振型，周期为1.30s，振型特征表现为主梁对称竖弯，该特征同连续梁桥的振型特征相似，主要是由塔梁固结的支承体系造成的，同常规刚构桥出现纵飘与横弯的特性有所不同。第4阶振型为全桥纵飘，周期0.48s，表现了该桥纵向较大的柔性，在地震发生时可有效削减纵向地震作用造成的主梁内力，但主梁会由此产生较大纵向地震位移。为达到抗震目的，避免落梁事故发生，可在墩顶采取必要构造措施以限制主梁的纵向位移。结合表 1 及图 7（a）～（f）分析可得：

（1） 第1阶振型是以桥墩为主的纵向振动，主梁发生纵飘，两主墩振动方向相同，均发生侧倾。由于桥位较高，所以桥体纵向保持一定柔性对桥体稳定比较有利。

（2） 第2～4阶振型为主梁和两主墩的面内侧倾，全桥的最大振动幅度均出现在桥墩墩顶部位，两薄壁墩顺桥向弯曲。

（3） 第5阶为主梁对称竖弯，频率为0.56Hz，说明该桥的竖向刚度大于纵横向刚度，使得竖向振型晚于纵横向振型出现。

（4） 第6阶振型与第1阶相似，均为主梁发生纵飘。

从模态1～6看出，桥身自振频率呈周期性变化，基频为0.20Hz，桥身振型特征也呈周期性变化。自振频率越高，对桥体结构的影响力以及破坏力越强，在桥梁结构设计阶段，应多注意墩体塑性和刚度。

4 动力时程分析

对王家庄大桥采用振型分解法进行抗震分析[5]，目的是对纵向和横向的最大应力和位移进行计算，考虑前10阶振型，通过横向和纵向的应力位移作图分析并得出相关结论。

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