不同高墩形式下連續剛構橋動力性能分析

2010-05-04 08:42:20楊雅勛李子春

鐵道建筑 2010年7期

關鍵詞：橋梁

楊雅勛，李子春

(1.長安大學橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安710064;2.中國鐵道科學研究院，北京100081)

隨著我國西北地區公路、鐵路等基礎設施的修建，高墩大跨連續剛構橋得到普遍的運用［1－2］。目前常見的高墩形式有四柱式實心橋墩、雙薄壁式實心墩、獨柱實心墩等，但究竟哪種橋墩抗震性能更好，綜合性能更高，目前研究較少［3－6］。尤其是在當前對高墩大跨徑連續剛構橋抗震性能的研究還不夠充分的情況下，對不同高墩的抗震性能進行研究，指出其性能上的差異，顯得更為必要［7－8］。本文以西安至禹門口高速公路上杏溝大橋為例，利用ANSYS有限元程序，分析其分別采用四柱式實心橋墩、雙薄壁式實心墩、獨柱實心墩時的動力性能，并得出相關結論。

1 工程概況

杏溝大橋為一座預應力混凝土連續剛構橋，主橋跨徑為50 m+80 m+50 m。主梁為變截面單箱單室結構，箱梁上頂板寬12.8 m，下底板寬6.0 m，墩梁結合處梁高4.2 m，其間梁高按二次拋物線變化，混凝土強度C50，全橋布置如圖1。兩橋墩墩高均為60 m，混凝土強度C50，分別采用鋼筋混凝土四柱式實心墩(截面尺寸為2.37 m×2.37 m，橫橋向間距3.2 m，縱橋向間距1.0 m)、雙薄壁實心墩(截面尺寸為2 m×6 m、縱橋向間距1.0 m)、獨柱實心墩(截面尺寸為 φ5.34 m)，截面積相差在0.3%以內，認為面積相等。樁基采用直徑2.0 m的鉆孔灌注嵌巖樁。所在的場地類型為第二類場地土，地震烈度按8度設防。

2 全橋自振特性分析

全橋有限元模型見圖2，選擇 Shell單元和 beam單元進行計算。成橋狀態下前十階振型基本形態和自振頻率見表1和圖3～圖5。

圖1 杏溝大橋總體布置(單位:m)

圖2 全橋有限元模型

從表1和圖3～圖5中三類墩柱的全橋頻率和周期分析得出:采用四柱式實心橋墩、雙薄壁式實心墩、獨柱實心墩的自振頻率依次增大，前十階的提高幅度平均為14.8%和36.9%。在構件截面積相等條件下，獨柱式墩的剛度最大，而四柱式墩最小。

表1 杏溝大橋前十階自振頻率

圖3 四柱式實心墩前十階振型

圖4 雙薄壁式實心墩前十階振型

圖5 獨柱式實心墩前十階振型

從圖3～圖5的分析可知，三類墩的一、二階振型的振動特征相同。四柱式墩第三階振型與雙薄壁式墩第五階振型振動特性相同，且它們對應的四與三、五與四、六與八、七與六、八與九、九與七階振型的振動特征分別相同。但獨柱式墩第三階振型與四柱式墩相同外，越往高階，差別越大。這說明四柱式橋墩與雙薄壁式墩對振型影響不明顯，但獨柱式橋墩與前兩者相差較大，只有最初的三階振型的振動特性相同。

在前十階振型中，高墩的擺動在四柱式墩和雙薄壁式墩中占的比例均為60%，在獨柱式墩中只占10%。表明前兩類大跨連續剛構橋的振動主要為高墩的彎曲，這也驗證了橋梁震害中破壞形式最常見為橋墩的彎曲破壞、剪切失效及局部屈曲等，從而引起橋梁傾斜、沉陷、落梁，甚至坍塌。而獨柱式墩由于剛度較大，能夠避免墩柱的各類破壞，保證橋梁的正常通行。

3 地震波作用下動力性能分析

地震作用采用典型的El－Centro波和Taft波進行分析，分別取其前16 s，波形如圖6。地震波峰值加速度相當于0.2 g，方向分別考慮橫橋向和縱橋向兩個方向。

圖6 地震波波形

地震波作用下橋梁結構反應特征值見表2。El－Centro波橫橋向作用下，四柱式墩底剪力最小，另兩類墩底剪力分別比其高17.9%和43.7%，但墩頂和跨中位移最大值均出現在雙薄壁式墩的橋梁上，分別達到0.195 m和0.239 m。Taft波橫橋向作用下，同樣為四柱式墩底剪力最小，另兩類墩底剪力分別比其高7.1%和54.5%，而其墩頂和跨中位移均最大，分別達到0.264 m和0.320 m。與 El－Centro波相比，Taft波作用下，四柱式墩和獨柱式墩的動力反應要大得多，前者墩底剪力增大5.9%，墩頂位移增大70.3%，跨中位移增大68.4%;后者墩底剪力增大21.8%，墩頂位移增大22.1%，跨中位移增大16.7%;但雙薄壁式墩的動力反應要小于El－Centro波作用，其墩底剪力減小3.9%，墩頂位移減小8.2%，跨中位移減小11.3%。El－Centro波縱橋向作用下，獨柱式墩底剪力最小，另兩類墩底剪力分別比其高12.3%和12.6%，但墩頂和跨中位移最大值均出現在四柱式墩的橋梁上，分別達到0.032 m和0.020 m。與橫橋向地震波作用相比，縱橋向的位移要小得多。由于地震波的卓越周期、結構的自振特性不盡相同，從而導致結構的反應不盡相同。El－Centro波橫橋向作用下橋梁反應時程曲線見圖7。由圖7可見，四柱式墩和雙薄壁式墩在地震波峰值出現的前3 s內，動力反應沒有達到最大，而是在6 s以后達到最大，9 s以后四柱式墩動力反應減小，而雙薄壁式墩保持這一幅度。而獨柱式墩的最大動力反應出現在地震波峰值出現的前3 s內，此后逐漸減小。整個地震波作用下，獨柱式墩位移幅度均小于四柱式墩，而四柱式墩則小于雙薄壁式墩。前3 s內，獨柱式墩底剪力遠遠大于另兩類墩，此后則小于另兩類墩;而四柱式墩底剪力與雙薄壁式相當。

表2 地震波作用下橋梁結構反應特征值

Taft波橫橋向作用下橋梁反應時程曲線見圖8。由圖8(a)可見，獨柱式墩底剪力要遠大于其他兩類墩，且剪力的衰減不明顯，而四柱式墩和雙薄壁式墩底剪力在達到峰值后逐漸減小，且四柱式墩最小。但在圖8(b)、圖8(c)中，獨柱式墩的位移卻最小，而四柱式墩的位移最大。

El－Centro波縱橋向作用下橋梁反應時程曲線見圖9。由圖9(a)可見，三類墩底剪力峰值接近，但四柱式墩直到6 s才達到最大值，此后變化幅度幾乎沒有衰減;而獨柱式墩前3 s已經達到最大，此后衰減明顯;雙薄壁式墩底剪力在前3 s內有一次起伏，在6 s左右達到最大，此后衰減，11 s左右達到最小，往后有所增大。由圖9(b)、圖9(c)可見，縱橋向地震波作用下，不同類墩的橋梁結構位移反應比橫橋向作用要小得多，且四柱式墩的位移衰減不明顯。