大跨徑連續剛構單雙肢橋墩形式動力性能研究

杭海俠 宋彥平 湯兆新

0 引言

從1988年由我國設計的第一座主跨180 m的大跨徑連續剛構橋——廣東洛溪大橋建成通車后,連續剛構的突出優點使得這種橋型在我國得到了廣泛的應用和推廣。隨著橋梁設計過程中計算技術的廣泛應用,加之大跨度橋梁施工水平的不斷提高,特別是橋梁懸臂施工技術的改進和成熟,對混凝土收縮、徐變、溫度變化、預應力作用、墩臺不均勻沉降等引起的附加內力研究的逐漸深入和問題的不斷解決,大跨度的連續剛構橋已成為主要的橋梁結構形式。研究連續剛構橋不同結構形式橋墩具有十分重要的理論和現實意義。

1 工程概況

以某大跨度連續剛構橋為工程背景進行研究,主跨為90 m+160 m+90 m連續剛構橋,主梁采用單箱單室、三向預應力混凝土箱形截面。全橋總長346 m。主梁采用預應力混凝土結構,混凝土強度等級為C50。主梁采用單箱單室直腹板截面,箱梁頂板寬12 m,兩懸臂板長2.7 m,箱梁底寬6.6 m,頂面不設橫坡。根部梁高9.8 m,為中跨跨度的1/16.94,跨中梁高3.8 m,為中跨跨度的1/43.68;主梁高度按1.8次拋物線變化,懸臂端部板厚0.18 m。主墩采用C50混凝土,單肢箱形結構,墩頂縱橋向寬6 m,橫橋向寬6.6 m,1號墩縱、橫橋向均按100∶1放坡,2號墩縱、橫橋向均按80∶1放坡,壁厚均為0.9 m。

2 橋墩形式選擇

從20世紀80年代以來連續剛構橋的發展情況來看,主墩一般考慮設計成柔性墩,由于溫度變化、混凝土收縮、徐變及制動力,使橋梁上部結構產生較大內力和變形位移,因此橋墩除了滿足支撐上部結構質量、活載和穩定的要求之外,還要有一定的柔度,設計中一般利用柔墩適應結構的這種變形。在墩身的布置上,一般采用雙肢墩身,其水平抗推剛度較小,雙肢墩亦可減小梁的負彎矩峰值,而且又有較大的抗彎剛度。雙肢墩身一般為雙薄壁實心墩和雙薄壁箱形截面,但近年來雙薄壁空心墩有逐步取代雙薄壁箱形墩的趨勢。當然當橋墩很高時,也可以采用單肢實心墩或單肢空心墩。具體采用哪種形式要綜合考慮結構受力、跨度大小、墩高、造型環境以及施工、造價等因素。

3 有限元模型

本研究采用空間有限元方法分別建立了3種工況下單雙肢橋墩形式的空間有限元計算模型。主梁、主墩均采用每個節點6個自由度(包括3個線位移自由度和3個角位移自由度)的空間梁單元模擬;另外,還考慮了樁基和土的共同作用,把樁基礎考慮成一段一段的三維梁單元,單元的質量集中在節點上,主墩樁基周圍土的約束作用可用等代土彈簧來代替。等代土彈簧的剛度系數與土層的厚度、樁柱的計算寬度、土層的深度以及土介質的m值有關,支座作用通過對梁部支座處相應節點的約束來模擬。主梁與主墩之間、主墩墩底與樁頂之間均通過剛臂連接。兩種模型除了橋墩形式不同外,其余方面完全相同。

4 計算結果分析

結構動力特性的計算既可驗證計算模型的精度,又是進一步進行地震響應分析的基礎。對單肢橋墩三種不同工況下的空間有限元模型對該橋進行計算,得到前10階自振頻率及相應的振型特征,如表1所示。對雙肢橋墩三種不同工況下的空間有限元模型對該橋進行計算,得到前10階自振頻率及相應的振型特征,如表2所示。

表1 單肢箱形墩頻率和振型表

計算結果表明,三種不同的工況下計算得到的單雙肢橋自振頻率值較接近,各階自振頻率相對應的振型特征基本一致,可知兩種方案結構體系整體質量與剛度分布一致。單雙肢模型在成橋狀態下,二者的振型特征完全一致,單肢橋墩的自振頻率要稍大于雙肢橋墩,說明在成橋狀態下,兩種橋墩形式的動力性能不相上下。在最大伸臂工況下,二者的振型特征基本一致,單肢橋墩模型的前幾階頻率要大于雙肢橋墩模型的頻率。在最大雙伸臂工況下,單肢橋墩模型的前幾階頻率要大于雙肢橋墩模型的頻率;雙肢橋墩模型的振型中出現了主墩扭轉,這在施工過程中是不利的;單肢橋墩形式的模型在三種工況下始終都沒有出現扭轉,單肢箱形墩方案自振頻率值明顯較雙肢箱形墩方案大,可知單肢箱形墩剛度較雙肢實體墩剛度大。由此可見,單肢橋墩形式相比于雙肢橋墩形式在動力性能上有優勢。

表2 雙肢箱形墩頻率和振型表

5 結語

連續剛構橋橋墩是連續剛構橋重要的組成部分,其力學性能的優劣直接決定著橋梁整體動力特性,因此研究連續剛構橋不同結構形式橋墩具有十分重要的理論和現實意義。本文著重研究連續剛構橋橋墩兩種不同的形式單雙肢橋墩的動力性能,通過比較,單肢橋墩形式相比于雙肢橋墩形式有明顯的優勢。此結論可為以后同類工程的設計提供參考。

[1] 范立礎,胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設計[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 范立礎.橋梁抗震EM3[M].上海:同濟大學出版社,1996.

[3] 李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京:中國鐵道出版社,1992.

[4] 徐君蘭,顧安邦.連續剛構橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005(2):9.

[5] 顧安邦,范立礎.橋梁工程(下)[M].北京:人民交通出版社,2000:46-47.

[6] 魏洪林,金麗霞.橋梁工程的動力反應譜分析[J].山西建筑,2008,34(5):341-342.

[7] 馬保林.高墩大跨連續剛構橋[M].北京:人民交通出版社,2001:34-36.