邹小兵

（中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁沈阳 110136）

1 工程概况

某大跨连续刚构桥跨径组合（65+108+65）m（图1），上部分结构运用单式箱梁截面，支点处高度约6 m，跨中位置截面高度约2 m，其纵向梁高度必须根据再次抛物线变化而实施相应改变，下部结构运用双薄壁墩。上部结构使用C50 混凝土，桥墩使用C40 混凝土，桩基及承台使用C25 混凝土。通过Ansys 软件构建出相应的仿真模型。

图1 大跨连续刚构桥总体布局

2 高墩大跨连续刚构桥的地震灾害分析

在地震灾害的影响下，高墩大跨连续刚构桥受到破坏的部位为墩顶与主梁结合位置及墩底，下端结构与基础结构受到重度破坏作为引发桥梁发生倒塌并在地震影响下无法及时修复的关键因素。

根据相关文献，下端结构的破坏方式为剪切破坏、弯剪破坏和弯曲破坏三类。弯曲破坏指的是结构弯曲承载力比剪切破坏承载力低，结构强度通过抗弯功能对破坏发挥控制作用。此类破坏方式一般能够避免地震中桥梁受到倒塌破坏。弯剪破坏是因弯曲损伤引发的剪切强度降低，最终通过剪切破坏方式达成极限状态，是非常脆性的一种破坏。剪切破坏指的是结构弯曲的承载力比剪切破坏承载力高，由剪切强度破坏方式对结构强度实施控制，破坏时将斜方向剪力裂缝为主，此为比较脆性的一种破坏，在地震发生时，此类破坏方式很常见，也是桥墩受到致命破坏的关键因素。

3 基础理论分析

3.1 桥梁的冲击系数

基于桥梁结构层面而言，移动式荷载在该结构通过时产生的动力效应即为冲击作用，实际上，冲击系数是结构最大动态效应与静态最大效应的总和：

式中：Ydmax是当荷载车辆通过桥梁时，桥梁最大的动态效应；Yjmax是相同车辆荷载过桥时，桥梁最大静力效应。

3.2 国内与国外规范计算冲击系数的方法

（1）美国所有构件全部处于断裂状态及疲劳状态体现为：IM=0.15；桥面接缝部位处于极限状态体现为：IM=0.75；其他状态体现为：IM=0.33。

（2）加拿大冲击系数与车辆本身轴数有关。

（3）英国荷载车辆的冲击效应体现为25%；以公式表达是：I=，其中L 是跨径。

（4）我国JTG D60—2015 设计路桥通用的规范：冲击系数为相关结构的基频f 函数：

3.3 不平整的路面程度

导致桥面不平整的主要因素是桥梁实际平面和预期平面发生了偏离变化。目前针对桥面出现的随机性较大情况，在对车桥耦合振动的分析过程中，先要明确桥面情况不同的理论数值模型，而后对其实施定量分析。本文选用三角级数数叠加法对桥面的平整度实施模拟，即通过离散谱靠近目标的随机性流程模型。根据相关理念，在分析不平整桥面样本的同时需根据式3 表述。

式中：R（x）作为桥面的不平整样本（m）；k 需要服从［0，2π］在随机相位均匀分布；N 作为采样的频段数；S（Ωk）作为离散空间频率（cycle/m）；ΔΩ 作为空间皮频率的间隔宽带（cy-cle/m）。

相关调查研究表明：我国公路的桥面谱通常处在三级范围以内，即A、B、C。对A、B、C 桥面不平顺的随机状况实施模拟，见图2。

图2 A、B、C 级桥面的平整度曲线

4 结构的振动频率

为了分析结构频率的变化规律，重点分析2 个敏感参数，即曲率半径与墩高，并制定15 座相同跨径连续刚构桥模型，为了保证结果的精准性，选用综合边界条件与建模方式，结果表明，曲率半径在出现变化的同时，高墩刚构桥I 阶的纵向基频呈现起伏状分布，但整体方面不会出现很大的变化；墩高变化会严重影响I 阶结构纵向基频，变化幅度最大值为＞60%，由此得出，墩高发生变化，会严重影响I 阶结构的纵向基频。

5 结构的振动特性

5.1 桥面不平整易影响结构振动特性

车辆在桥梁上通过时，车、桥会引发互相振动，从而使荷载效应增大。本文将不平整的桥面计入时，对两辆32 t（轴载设置为8 t+24 t，轴距设置为5.0 m）标准汽车模拟通过结构的同时，对3 个结构不利截面部位的振动参数进行准确计算，结果如下：

（1）将不同不平整桥面进行计入后，结构振动幅度会明显提升，特别是边跨跨中与中跨跨距与扭矩改变更加明显，最大的幅值增量为80%～195%，表明高墩刚构桥跨中部受桥面不平整度的影响，弯扭耦合效应更加显著。

（2）墩顶有较小的弯矩和扭矩增幅（约20%），具体因素为改变桥墩部位造成的影响。

5.2 国内与国外相关规范比较

目前，国内外对大跨刚构桥冲击系数的计算方法不具备相同的规范，也缺乏统一标准。通过国内外典型规范和对平整桥面桥面冲击系数改变的研究得出：

（1）在对冲击系数的计算中，各个国家的计算值大于我国规范的计算值范围，其中美国规范计算值最大（0.33），各国冲击系数值计算结果存在很大的偏差，因此在对此类桥梁安全性的评估中，其冲击系数取值需要深入分析并合理拓展，使其实测值和理论值维持高度一致。

（2）C 级桥面不具备稳定的桥面状况，理论计算值也远比模型计算值小，因此在对冲击系数实施计算与分析后，判断很有可能是桥面不平整造成的影响。

（3）在结构冲击系数的计算中，通过计算模型和规范值进行对比，尤其是C 级桥面不平的情况下，理论值与实测值差异较大。因此对此类桥面投用安全性的评估工作中，提出重点考虑桥面受不平整影响的建议，为冲击系数更加准确地计算提供参考。

6 地震反应分析

6.1 明确地震输入

按照大桥主桥价值级地震对桥梁结构破坏后的抢修难度，主桥超越使用的概率为63%/50 年，以50 年为重现期（简称地震E1 概率）和超越概率2%/50 年、重现期为地震E2 概率两种地震水平的作用作为设防水准。

6.2 截面地震的具体反应

在纵向+竖向地震作用下，桥台地震的最大值反应是台身底部，而桥墩较为繁杂，其地震反应的最大的部位分布于桥墩的顶端、底端即桥梁交叉点上层与下层截面。所以需巩固桥台底部、桥墩底部、顶部、梁交叉点上部和设计下部的截面，以此保证刚构桥在纵向+竖向地震作用下，墩台符合抗震功能方面的标准。

基于纵向+竖向输入的背景，刚构桥墩底部与顶部的最大弯矩值通常为一致；虽然桥墩高度远高于桥台，但其最大弯矩值远小于桥台的最大弯矩值，由此可见，由于高墩结构刚性不足，在地震作用下的反应会越来越小。

6.3 高墩连续刚构桥的抗震能力

通过以上分析可知，桥墩的最大弯矩值远小于桥台的最大弯矩值，因而在高敦大跨度刚构桥体系中，由于高墩本身刚度不足，外加地震产生的振动对其响应不大，不会形成桥梁结构最薄弱的抗震点。通过验算抗震表明，无论纵向+竖向或是横向+纵向地震作用下，桥墩本身都未屈服，满足抗震设防的标准要求，而桥台底部在纵向+竖向地震作用下发生了屈服现象，符合其塑性转动性能方面的要求。

7 结束语

以某大跨连续刚构桥工程为例，选用相应的方法对高墩大垮连续刚构桥动力特性实施研究，分析地震反应，包含明确地震输入、主要截面的地震反应和抗震性能，总结如下：

（1）高墩大跨连续刚构桥具有很弱的横向刚度，在地震作用下出现的最大反应于地震横向+纵向激励时，通常最大的反应出现在最高敦，而在横向激励时，最大的反应应该视情况确定。因此类桥梁于第一和第二横向主跨刚度最弱，而中高墩处在两跨中间，所以横向激励时，此类桥梁的最大反应发生在高墩墩顶部位。

（2）桥梁曲线结构容易引发主梁出现扭转性振动。此类桥梁的纵向阵型发生于第四个阶段，同时随着主梁扭转振型。扭转振型在横向激励的同时对于地震响应的结果影响很大。

（3）高墩大跨连续刚构桥具有很大的纵向抗推刚性，最大的内力相应值通常出现在墩地最矮之处，应该将最矮的墩底当成截面控制来验算地震的强度。

（4）行波效应影响应视桥梁实际的结构确定，针对此类桥梁，行波效应需引发位移以及缩小内力响应峰值，无需考虑计算波效应结果是否偏向安全。

（5）针对此类桥梁，在成桥的情况下，不会明显影响到抗震性能结果。针对高墩大跨连续刚构桥，施工中影响最大的是动力特性，最大的悬臂状态作为最不利的结构状态。