大跨剛構橋橋墩抗震優化設計

關艷果

(上海同季土木工程設計有限公司，上海 200092)

0 引言

隨著我國西部開發腳步的不斷加快，越來越多的橋梁建設項目在新疆等地的城市及公路規劃中出現。我國西部地區地形條件錯綜復雜，溝壑林立，為適應地形條件需要，T形剛構橋在路網規劃中成為一種司空見慣的橋梁形式。而西部大部分地區地震基本烈度較高，結合工程情況對橋梁地震動響應進行深入細致的分析具有重大的實際意義。尤其是“5·12”地震之后，地震給人們帶來的巨大經濟及精神損失重新被給予了足夠的重視。在不斷采用新材料、新形式的橋梁構件的同時，如何通過對結構本身進行優化從而減小地震給橋梁帶來的破壞更具重要性。因此，本文通過工程實例，分析了兩種不同形式的橋墩截面及不同墩高在抗震設計中的優劣，從而給實際的工程項目提出更為合理的形式及尺寸。

1 連續剛構橋的地震響應

1.1 工程設計基本資料

本文選取位于新疆呼圖壁縣境內的呼圖壁河上的呼圖壁河大橋作為對象進行模擬分析。該橋的跨徑布置為90 m+150 m+90 m現澆預應力混凝土變截面單箱單室剛構橋，橋面寬度10 m，邊支點梁高3.5 m，墩頂主梁梁高8.5 m，梁高沿跨徑方向按二次拋物線變化，擬采用墩高分別為35 m，40 m，橋墩截面形式為雙柱式薄壁墩和空心墩兩種，兩種橋墩截面尺寸擬定時基本保持面積相同，箱梁及橋墩截面主要尺寸如圖1，圖2所示。

本橋基礎采用承臺樁基礎，中墩承臺厚4.5 m，樁基直徑2.2 m，樁長40 m。

1.2 空間有限元模型

采用有限元分析軟件midas對該橋進行建模分析，主梁與橋墩均采用3D梁單元，質量轉換采用集中質量轉換，將箱梁及墩柱自重、橋面鋪裝、欄桿均進行質量轉換。邊支座及墩底均采用彈性支撐來模擬支座及地基土對結構的約束作用。在其他條件完全相同的情況下，分別采用兩種橋墩截面、兩種墩高來建立分析模型。

剛構有限元模型見圖3。

圖2 墩柱截面（單位：cm）

1.3 參數選取

該橋所處的場地類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為8度，地震動加速度峰值 0.3g。

結構特性分析類型采用lanczos法，陣型數量取值為20，陣型組合類型采用CQC，采用反應譜分析對順橋向及橫橋向地震響應進行分析。

圖3 剛構有限元模型（雙柱式薄壁墩）

2 分析結果

2.1 自振特性

分別采用35 m雙柱式薄壁墩、空心墩，40 m雙柱式薄壁墩、空心墩建立的分析模型，其自振特性如表1，表2所示。

表1 結構自振特性(墩高35 m)

表2 結構自振特性(墩高40 m)

由表1，表2可以看出，采用雙柱式薄壁墩能適當減小結構自振頻率，且墩柱高度適當增大后自振頻率減小。

2.2 結構響應

四個分析模型的結構響應分析結果見表3，表4。

通過表3，表4可以看出，在外部邊界條件相同，墩柱慣性矩相同的條件下，采用雙柱式薄壁墩時，墩頂及墩底內力比采用空心墩平均減小約43%，但墩頂豎橋向、橫橋向位移和主梁跨中彎矩則相應增大;在結構形式相同的情況下，墩高采用40 m時的墩頂、墩底內力比采用35 m時明顯減小，但墩頂、墩底及跨中彎矩也會適當增大。

表3 結構響應最大值(墩高35 m)

表4 結構響應最大值(墩高40 m)

3 結語

1)采用薄壁式橋墩，適當增加墩柱高度可以減小結構的自振頻率，對汽車沖擊力等外部激勵下結構的響應會產生一定的影響。

2)通過對本橋結構動力特性的分析可知，在地震作用下，采用雙柱式薄壁式橋墩減小了墩頂及墩底彎矩，但跨中彎矩及墩頂位移比采用空心墩要大，因此在實際的工程應用中要權衡其利弊，選擇更為符合項目特點的墩柱截面形式。

3)通過對不同墩號的計算模型的分析可以得知，墩高越大，在地震作用下墩頂和墩底產生的內力就越小，由此也可以看出，墩柱剛度越小，地震作用下的內力就越小，但也會導致墩頂位移增大，在工程應用中須對其引起足夠的重視，可采取配套的限位措施。

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