獨柱墩T形剛構橋地震反應分析＊

邱文亮 姜 萌 黃才良

（大連理工大學土木水利學院 大連 116024）

0 引 言

多城市在拓寬的道路中間架設起高架橋，以減緩道路擁堵.高架橋的主梁常采用連續箱梁，其橋墩一般采用獨柱墩和雙柱墩兩種形式.同獨柱墩相比，雙柱墩橋梁的箱梁橫向由距離較遠的支座支承，橫向受力和穩定性好，但是橋墩對橋下交通影響大，不利于橋下交通組織，墩柱林立，橋下視線通透性差，影響城市美觀.因此，對于沿城市主干路建設的橋梁，獨柱墩連續箱梁橋是較為合理的橋梁結構形式［1－2］.

為使建設在道路中間的橋梁盡量少地影響原地面道路交通，獨柱橋墩橫向尺寸應盡量小，但對于較寬的主梁，較小的橫向尺寸會使支座間距較小，在偏載情況下支座受力變化較大，連續梁主梁穩定安全系數低，同時主梁支點處橫梁受力不利.另外，由于獨柱墩抗推剛度較大，對于采用一個墩頂設置固定支座的連續梁，其抗震性能也是橋墩設計的控制因素和難點［3－5］.鑒于獨柱墩連續梁存在的問題，本文提出了2跨T形剛構橋梁，并對2種體系橋梁的抗震性能進行了詳細的研究.

1 獨柱墩橋梁結構體系

目前采用箱形主梁的獨柱墩橋梁多采用3～4跨為一聯的連續梁結構體系，本文提出2跨T形剛構體系，見圖1.

圖1 兩種體系橋梁結構圖（單位：m）

與連續梁結構體系相比，T形剛構有如下優點：

1）由于考慮到美觀和橋下行車，連續梁獨墩頂的支座距離較小，車輛偏載情況下支座受力變化較大，橋梁的側向穩定性差，易于整體傾覆；而采用中墩與梁固結的T構則不存在橋梁整體傾覆問題.

2）T形剛構中墩與梁固結，只在交接墩設小噸位支座，節省了大量造價昂貴的支座，按照噸位計算可節省50%以上，同時避免了大噸位支座維修、更換等后期工作.

3）T形剛構中墩與梁固結，墩頂橫梁受力遠遠好于支座支承狀態，橫向受力更為安全，且節省了預應力筋.

4）T形剛構梁端伸縮量小，單側溫度變形只有10mm左右，降低了對支座、伸縮縫活動量的要求，進一步降低了支座、伸縮縫的造價和后期維護費用.

5）由于伸縮量較小，可以采用與橋面鋪裝連續的無縫伸縮縫，使全橋橋面連續無縫，對行車舒適性十分有利.同時，無縫伸縮縫解決了目前常見的伸縮縫漏水問題，提高了梁端和墩臺的耐久性.

6）連續梁抗震需采用可抵抗較大水平力的固定支座，并額外設置構造和施工復雜的抗震措施.

水平地震荷載常常是橋墩強度設計的控制因素，由于獨柱墩梁橋的橫向地震力可以通過構造措施由全部橋墩共同承擔，縱向地震力則只能由固定橋墩承擔，且橋墩的橫向尺寸大于縱向尺寸，因此橋墩設計受縱向地震力控制.對于3跨連續梁橋，其固定墩承擔3跨主梁的地震慣性力，2跨T形剛構的固結墩承擔2跨主梁的地震力，而T形剛構的固結墩抗推剛度一般大于連續梁的固定墩，因此兩種體系橋墩所受的地震力大小不能從直觀上判斷，下面對2種代表性情況進行討論，以獲得一般性結論.

2 墩底固結的等截面情況

假定3跨連續梁和2跨T形剛構的固定墩和固結墩截面尺寸相同，且沿墩高方向為等截面，同時假定墩底完全固結在地基上.因此，可以將固定墩和固結墩簡化為如圖2的計算模型.

假定橋墩的抗彎剛度為EI，則固定墩抗推剛度K1和固結墩的抗推剛度K2分別為

即有K2＝4K1.

圖2 橋墩簡化模型

設每跨主梁的質量為m，并忽略墩柱質量對地震力的貢獻，將主梁的質量全部聚集在墩頂，則固定墩的自振周期T1和固結墩的自振周期T2分別為

根據文獻［6］，水平設計加速度反應譜S取值如下.

固定墩和固結墩的墩頂所受的水平地震力分別為H1和H2；地震產生的墩底彎矩分別為M1和M2

根據橋墩自振周期與橋址特性周期Tg的比較關系，對2種體系的橋墩受力討論如下.

從上述關系表達式可見，當T1＜1.5Tg時，固結墩水平地震力H2小于固定墩水平地震力H1；當T1＞1.5Tg時，固結墩水平地震力H2大于固定墩水平地震力H1，二者最大比值為1.633；而水平地震力產生的固結墩底部彎矩M2均小于固定墩彎矩M1，二者最大比值為0.816.

3 考慮樁－土相互作用的變截面情況

實際的獨柱墩連續梁設計中，為盡量少占用橋下的車道，橋墩下部的尺寸由滿足受力確定，而橋墩的上部為放置支座則需在橫向逐漸擴大，由此形成變截面墩.從連續梁橋墩的本身受力來看，上大下小的橋墩是不合理的，而對于T形剛構則由于上部與梁體固結亦需要抗彎，顯得更為合理.另外，一般情況橋墩的底部也不可能處于固結狀態，對巖石覆蓋層較深的嵌巖樁和摩擦樁，基礎變形不可避免，基礎變形降低了橋墩的抗彎剛度，進而減小了橋墩所受的地震力.本文以大連市中山路高架橋為例，考慮橋墩的變截面和樁－土相互作用，采用MIDAS CIVIL軟件建立了圖1所示的2種橋梁結構的全橋有限元模型，利用反應譜分析方法進一步研究2種體系的地震特性.有限元模型中主梁、橋墩、樁基采用梁單元模擬，T形剛構中墩與梁固結，連續梁的固定墩與梁采用約束全部水平位移的鉸連接，其余設活動支座的墩與主梁采用縱向水平位移自由的鉸連接，土對樁的作用采用m法，m取值為10 000kN／m2.研究采用二類場地，Tg＝0.34s，地震加速度峰值為0.1g.圖3給出了兩種體系橋梁的墩樁的水平地震力，圖4和圖5給出了2種體系橋梁的橋墩和樁基礎的彎矩.

圖3 水平地震力與墩高的關系

從圖3可以看出，隨著墩高h的增大，T形剛構和連續梁所受的水平地震力H均迅速減小，除墩高較小時，二者的變化率基本相近，其比值隨墩高增大，由0.93變化為1.52.除墩高接近3m時，T形剛構所受水平地震力H2小于連續梁外，其余均大于連續梁的地震力H1.

圖4 橋墩彎矩與墩高的關系

從圖4可以看出，T形剛構的墩底彎矩M2和墩頂彎矩均小于連續梁的墩底彎矩M1，墩高h越小，其差值越大，M2／M1的最小值為0.27，最大值為0.70.隨著墩高h的增大，T形剛構的墩底彎矩基本處于增加狀態，直到在墩高11m附近達到最高值，而T形剛構的墩頂彎矩和連續梁的墩底彎矩則有明顯的先增大后減小的變化趨勢，且在墩高5m附近達到最大值.

圖5 樁身最大彎矩與墩高的關系

從圖5可以看出，T形剛構的樁身的最大彎矩大于連續梁的樁身的最大彎矩，墩高h越小，其差值越大，二者比值的最小值為0.58，最大值為0.82.隨著墩高h的增大，連續梁的樁身的最大彎矩快速減小，而T形剛構的樁身的最大彎矩則先先增大后減小，并在墩高5m附近達到最大值.

由此可見，T形剛構提高了結構的抗震能力，在抗震橋墩設計強度相同的情況下，T形剛構墩底彎矩為同等跨度3跨連續梁的27%～70%，雖然墩頂彎矩大于墩底彎矩，但是墩頂的截面擴大后承載力大于墩底.另外，經分析T形剛構墩梁固結對主梁的受力影響較小，對于本橋，地震力產生的梁體最大值平均應力為0.87MPa，因此梁體是安全的.

橋墩所受水平地震力隨著橋墩的抗推剛度的增大而增大，連續梁的橋墩厚度一般是由墩底的地震彎矩、墩頂放置支座和墩頂受力確定的，而T形剛構由于沒有墩頂支座，而且墩身地震彎矩較小，因而其橋墩厚度可以減小，橋墩抗推剛度的減小會進一步減小橋墩所受地震力.

4 結 論

1）2跨T形剛構較3跨連續梁可以節省大噸位支座和抗震支座，簡化了伸縮縫的構造，降低了造價和后期維護費用.采用墩梁固結，增加主梁的橫向穩定性，避免了連續梁可能出現的整體傾覆，同時使墩頂橫梁受力大大減小，減低了橫梁的設計難度.

2）利用反應譜方法，通過推導墩底固結等截面情況下T形剛構和連續梁橋簡化模型的地震力和橋墩彎矩的解析表達式，研究了不同周期范圍內的2種體系地震反應；通過橋梁的整體有限元模型，并考慮樁－土相互作用，對實橋進行了地震反應分析.研究結果表明，T形剛構采用墩梁固結能夠顯著降低地震力作用下橋墩和樁基的彎矩，提高了橋梁的抗震能力，避免了連續梁縱向抗震對支座的抗水平力要求和構造復雜的抗震措施，簡化了抗震構造.

［1］陳枝洪，吳桂勝，孫向東.獨柱墩連續箱梁結構受力特征［J］.公路交通科技，2006，23（6）：89－91.

［2］范立礎.橋梁抗震［M］.上海：同濟大學出版社，1997.

［3］陳惠發，段 煉.橋梁工程抗震設計［M］，北京：機械工業出版社，2008.

［4］邱文亮，姜 萌，張 哲.城市獨柱墩橋梁結構體系非線性抗震研究［J］.地震工程與工程振動，2010（1）：55－58.

［5］李靜斌，葛素娟，陳 淮.分體式組合小箱梁橋空間有限元建模方法［J］.廣西大學學報：自然科學版，2010（4）：77－80.

［6］重慶交通科研設計院.JTG／T B02－01－2008公路橋梁抗震設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2008.