１５２ 总第１６５期 多点激励下高墩大跨刚构桥抗震性能研究 刘猛，郑儒霞，相仁凤 （辽宁工业大学建筑与土木工程学院，辽宁锦州 １２１００１） Ｈ 摘要：在简要介绍高墩大跨连续刚构桥结构特点的基础上，从地震动参数、大跨结构的跨度及 跨数、高墩结构的墩高、相邻墩高差等方面对比分析了高墩大跨连续刚构桥在一致激励和多点激 励作用下的地震反应，总结回顾了高墩大跨刚构桥抗震性能的研究进展，并对高墩大跨刚构桥抗 公 震性能分析的有关问题提出了展望和建议。 关键词：桥梁；多点激励；高墩大跨连续刚构桥；抗震性能 中图分类号：Ｕ４４２．５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—２６６８（２Ｏ１４）０６一Ｏｌ５２一ｏ３ 与ｍ 在进行结构抗震分析的过程中，地震输入的准 跨数等可变因子对其抗震性能的影响、桥梁下部结 构抗震性能影响因素分析三方面。 确性是保证分析结果科学合理的前提和基础。从工 程设计角度出发，一致激励能基本满足跨度较小结 汽 构的需要，但对于大跨度结构来说，由于行波效应、 部分相干效应、局部场地效应的影响，一致激励已不 ｌ 地震动参数对大跨结构抗震性能的影响 ２ｏ世纪８ｏ年代初，Ｌｅｅ Ｍ．等在简化核电站管 线系统的基础上，分别从时域和频域两方面研究了 能满足其需要。因此，在大跨度结构分析中多采用 加 考虑地震动各点地面运动相关性的多点激励方法。 １９６５年，Ｂｏｇｄａｎｏｆｆ等将地震动的行波效应应用到 结构抗震分析中。进入２Ｏ世纪八九十年代，学者们 针对多点激励问题进行了大量研究，许多研究成果 相应地被引入一些国家和地区的规范中，欧洲规范 运批 ．其在多点激励下的安全性问题，认为在结构振动分 析中，若不考虑地震动的部分相干效应和场地效应 将会导致很大的误差。 Ｆｅｄｅｒｉｃｏ Ｐｅｒｏｔｔｉ、Ｒ．Ｔ．Ｓｅｖｅｒｎ等分别从地震动 的频域、时域、振幅、视波速等方面进行研究，结果证 明以上因素均会影响结构的地震反应，同时结构的 地震反应也与其距离震源的位置有关。 中规定当桥长大于２００ ｍ且有地质上的不连续或 明显的不同地貌特征，或桥长大于６００ ｍ时需考虑 地震运动的空间变化。 文献［３］认为对于大跨度斜拉桥，桥塔距离震源 越远，其位移反应越大；距离震源越近，反应越小。 文献［４］认为随着视波速的增大，墩底应变增大，梁 的应变峰值显著降低。文献［６］认为对大跨度钢拱 桥，行波效应对行波方向的位移影响较大，其他两个 方向较小。文献［７］认为当桥梁设有铅芯橡胶支座 隔震时，其地震动反应在考虑行波效应和部分相干 在大跨结构中，刚构桥桥墩高，跨度大，适用于 两边都是陡壁的Ｖ形峡谷地形，在多山地区得到了 广泛应用。连续刚构桥由于连续的主梁梁体与薄壁 桥墩固结，通常为超静定结构体系；由于温度变化及 砼收缩、徐变的作用，在结构体内产生较大的应力， 为防止桥墩因自身应力破坏，连续刚构桥常选用柔 性较好的高桥墩。桥墩高度的增加，使薄壁墩对上 部结构的嵌固作用越来越小，墩底内力急剧减小；同 时墩身自重增加，不再远小于上部结构，高墩的受力 形式与中低墩不再相同，可有效缓解自身应力对结 构的不利影响。针对大跨度连续刚构桥的结构特 点，学者们从温度场、桥墩结构形式、桥跨跨数等方 面对大跨高墩连续刚构桥进行了抗震性能分析。 通过总结回顾相关文献资料，关于影响高墩大 跨刚构桥抗震性能的因素的研究可以归结为地震动 效应时变化不大，但在考虑局部场地效应时变化很 大。文献Ｅｓ？认为对于刚构桥，由于行波效应的影 响，多点激励下的内力反应曲线与一致激励下的内 力反应曲线对比存在明显的滞后现象，波速越慢、距 离震源越远，滞后现象越明显。 ２上部结构可变因子对大跨结构抗震性能 的影响 近几十年，桥梁结构的单孔跨度及桥梁的总长 参数对大跨结构抗震性能的影响、上部结构跨度和 均在不断增加，跨数的增加使桥体的纵向刚度增大、 ２０１４年第６期 刘猛，等：多点激励下高墩大跨刚构桥抗震性能研究 １５３ 墩身剪力减小，对结构抗震有利；但随着跨数的增 加，桥梁在多点地震激励下的响应趋于复杂多变，远 离震源处的墩受地震动的空间变异性影响更加明 显。因此，大跨结构的抗震性能分析越来越受到人 们的重视。 针对该问题，众多学者基于不同的研究参数进 行了研究分析，结果表明：与一致激励相比，地震的 空间性、相干性等均会影响其地震动反应，从位移角 度来看，水平地震作用下多点激励作用方向上的位 移反应多小于一致激励，而非激励方向的位移大于 一致激励；在变形方面，在竖向地震作用下结构变形 一般在多点激励时较大；从内力方向来说，基底剪力 和基底弯矩在多点激励作用下的反应较一致激励的 小；从抗剪、抗弯角度分析，行波效应对桥墩的抗剪 不利，但对桥墩抗弯有利。因此，在大跨结构抗震分 析中考虑多点激励是必须的。 ３ 桥梁下部结构抗震性能影响因素分析 大跨连续刚构桥在设计时一般采用柔性较好的 高桥墩，高桥墩墩体自重大，墩顶还要承载上部结构 恒载和车辆活载，形成一个承受水平作用力，特别是 对抗震不利的倒摆式结构。在地震力作用下高桥墩 墩顶位移远比中、低墩大，容易引起落梁，造成重大 损失。因此，对高桥墩的抗震性能研究十分必要。 ３．１桥墩形式对桥梁抗震性能的影响 高桥墩的长细比和轴压比通常较大，多采用空 心截面，构造复杂；通常选用双薄壁墩和单薄壁墩。 在截面积相同的情况下，双肢薄壁墩振动频率 比单柱式桥墩低，整体刚度小。对于采用双薄壁墩 的连续刚构桥，在桥墩截面积相同的情况下，采用实 心墩截面的综合动力性能优于采用空心墩截面。在 常见的双薄壁墩中距（７～９ ｍ）范围内，一般可不考 虑中距对高墩大跨刚构桥地震响应的影响。系梁的 设置对结构的动力性能及地震反应有一定影响。 针对该问题，文献［２２］对桥梁结构的薄壁钢结 构箱型柱进行了一系列静力实验和拟动力实验研 究；文献Ｅ２３－］研究了采用薄壁钢构件桥墩的连续刚 构桥的抗震设计问题；顾森华采用ＡＢＡＱＵＳ三维 实体模型对北山大桥薄壁高墩结构的稳定性进行了 线弹性稳定仿真分析，结果表明薄壁高墩结构前四 阶失稳均为整体失稳，第五阶开始出现局部失稳。 ３．２桥墩高度及相邻墩高差 连续刚构桥主梁采用连续梁体，与薄壁桥墩固 结。随着桥墩高度的增加，薄壁墩对上部结构的嵌 固作用越来越小，主梁墩顶截面最大负弯矩值、墩底 水平力、墩底弯矩、高墩稳定特征值逐渐减小，墩顶 横向位移不断增大。在曲线连续刚构桥中，桥墩高 度的增加使桥墩顺桥向刚度变小、结构变柔，相应地 地震响应值减小。 宫成武研究了桥墩高差对高墩结构抗震性能的 影响，结果表明随着桥墩高差的增大，矮墩的最大弯 矩增大、最大剪力减小，而高墩的最大弯矩和最大剪 力均减小，且低墩的墩顶内力大于高墩、墩底最大剪 力则小于高墩，跨中最大弯矩则随着桥墩高差的增 大而增大。 ３．３温度场 连续刚构桥作为一种超静定结构，在温差作用 下必然产生超静定结构附加内力，而这种内力事先 难以准确估计，又不易采取措施加以调整。分析温 度场作用下结构的抗震性能可为解决这一问题提供 参考意见。 顾森华通过获取的北山大桥高墩典型截面与典 型天气情况下数据，探索了砼薄壁箱形高墩结构的 温度场梯度模式，薄壁箱形高墩结构的温度场模式 不同于规范中关于砼梁的温度场梯度，实测温度场 模式情况下的温度效应影响相对较小且规律性不明 显。陈建伟以北山大桥为对象进行了温度场对高墩 结构受力影响及自身稳定性分析，将高墩的空间温 度场简化为沿墩高方向不变而沿墩的截面变化的温 度场，运用有限元法分析了温度效应对高墩稳定性 的影响，结果表明温度效应对稳定性的影响较小。 ４ 结语 在高墩大跨连续刚构桥中，跨数的增加使桥体 的纵向刚度增大，桥墩高度的增加使桥梁体系越来 越柔，以上因素的改变使桥梁在多点地震激励下的 响应趋于复杂多变。该文以此为出发点，在总结现 有研究成果的基础上得出如下结论： （１）由于行波效应、部分相干效应、局部场地效 应的影响，多点激励较一致激励更适用于高墩大跨 连续刚构桥的地震响应研究。 （２）跨数的增加使桥体的纵向刚度增大、墩身 剪力减小，对结构抗震有利。 （３）桥墩形式、桥墩高度、相邻墩高差、温度场 等均在不同程度上影响桥梁的抗震性能。目前高墩 大跨刚构桥主要采取的双薄壁墩在相同截面面积下 １５４ 公 路 与 汽 运 ２０１４年１１月 其抗震性能优于实体墩；桥墩高度的增加，薄壁墩对 上部结构的嵌固作用越来越小，结构越来越柔，相应 地地震响应值也减小。 （４）在桥梁地震反应研究中，跨度和跨数作为 影响桥梁地震反应的可变因素已得到了深入研究， 激励下的反应分析［Ｊ］．振动与冲击，２００９，２８（９）． 熊欢．高墩大跨度连续刚构桥地震响应分析研究 ［Ｄ］．重庆：重庆交通大学，２０１１． 杨庆山，刘文华，田玉基，等．国家体育场在多点激励 作用下的地震反应分析［Ｊ］．土木工程学报，２００８，４１ （２）． 不同桥梁跨径比下结构的地震反应也是值得深入探 何浩祥，闫维明．多点激励下连续桥梁地震响应特性 讨的方面。 （５）桥墩高度、相邻墩高差、温度等是影响高墩 结构抗震性能的主要因素，桥墩截面形式、壁厚等主 要通过影响桥墩的抗弯刚度进而影响桥墩的动力反 应特性，系梁根数、位置通过影响桥墩的有效高度进 而影响其动力特性，针对该问题可引入长细比的概 念综合研究以上因素对桥墩抗震性能的影响。 （６）多数学者针对单一因素的改变对高墩大跨 ｒＬ ［ ［ ［ ［ 结构进行了抗震性能分析，多因素协同作用下的地 ］ 一． ］ 一 一 ］ 一Ｈ一 ］ ．． ］ ．． ］ ．＂． 震反应值得深入探讨。 参考文献： 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