約束形式對高墩變截面鋼桁架橋抗震性能影響的探討

劉 軍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

隨著設計、施工工藝不斷完善，材料強度和性能的不斷提高，基礎建設工程也逐漸開始向高烈度地震區延伸。高烈度地震對公路橋梁，特別是高墩連續體系橋梁的破壞是巨大的[1]。為防止地震災害對橋梁結構的破壞，避免影響震后救災及次生災害的發生，提高高烈度地震區橋梁的抗震能力就尤為重要。本文就一高墩鋼桁架橋進行抗震研究，對今后該體系橋梁的抗震設計提供一定參考幫助。

1 工程概況

某特大橋為一跨越黃河而設的變高度鋼桁架特大橋，主橋跨徑為（140+4×180+140）m，橋梁全長1000 m。上部結構采用變高度鋼桁架，主桁跨中桁高10 m，支點桁高18 m，桁高變化為二次拋物線；腹桿為帶豎桿的華倫式體系，節間距為10 m。橫橋向設雙片桁，間距14.4 m，通過主桁橫梁和橫向斜撐擴展橋面寬度至33.5 m。橋面系采用縱、橫梁支撐鋼筋混凝土橋面板體系，板厚16 cm，橋面采用9 cm瀝青混凝土鋪裝。如圖1～圖4所示。

圖1 邊跨主桁立面圖（單位：cm）

圖2 中跨主桁立面圖（單位：cm）

圖3 跨中（邊支點）橫斷面圖（單位：cm）

圖4 中支點橫斷面圖（單位：cm）

下部結構主墩（2～4號墩）采用變截面空心薄壁墩，單箱雙室截面；墩頂順橋向寬度8 m，以100∶1坡率放坡至墩底，壁厚0.6 m；橫橋向墩寬12 m，壁厚0.8 m，墩高120 m，承臺平面為六邊形，厚度3～6 m，呈馬蹄狀；采用鉆孔灌注樁基礎，平面布置37根D200樁基礎。如圖5所示。過渡墩（1號和5號橋墩）采用獨柱式空心矩形截面，截面尺寸（29.06×5）m，壁厚0.6 m。采用矩形承臺設置21根D200樁基礎。橋位處抗震設計第一水準50年超越概率10%下加速度峰值0.15g，抗震設防烈度Ⅶ度，場地類別為Ⅲ類。

圖5 主墩一般構造圖

2 結構計算模型

本橋高墩、長聯，地震烈度高、場地條件差的特點使橋梁產生較大的結構位移和下部結構地震荷載，必須采用減震設計達到降低地震力，減小結構位移的目的。為了對比不同約束方式對結構地震作用的影響，計算給出如下3種方案：

a）方案一 主橋墩與梁固結；邊墩一側采用順向滑動支座，另一側采用雙向滑動支座，并設置順向阻尼器。

b）方案二 主橋墩與梁一側采用固定支座，另一側采用橫向滑動支座；邊墩一側采用順向滑動支座，另一側采用雙向滑動支座，并設置順向阻尼器。如圖6所示。

圖6 約束布置圖

c）方案三 只在中間墩設置順橋向約束，在橫向有選擇地采用部分約束（為滿足橫向抗風需要，橫橋向需采用隔震設計。隔墩釋放支座橫向約束，安裝橫向熔斷器和阻尼器，風荷載作用下橫向全約束，地震荷載作用下破壞限位裝置解除約束，與橫向阻尼器配合實現地震作用下橫向減震消能），其余為滑動支座，并設置橫縱向阻尼器。如圖7所示。

圖7 約束布置圖

采用MIDAS對大橋進行抗震計算。所有單元均采用桿系單元，整個結構劃分為5501個單元，整個結構在墩底固結。如圖8所示為大橋空間計算模型。

圖8 有限元計算模型

3 計算結果分析[2-3]

由于方案一和方案二需要柔性墩適應主桁架在溫度影響下的縱向變形，因此計算比較了墩頂寬6 m、7m、8 m三種不同的截面形式。方案三只計算了墩頂寬8 m的情況。

為了選取最合適的阻尼器，進行了一系列阻尼器參數對比。最終確定方案一、二采用的順橋向阻尼器參數為：C=2000，α=0.3。方案三采用的順橋向阻尼器參數為：C=4000，α=1.0；橫橋向阻尼器參數為：C=2000，α=0.3。

表1 模型參數匯總表 m

3.1 不同約束方式下的地震響應

針對上述模型，表2給出橋梁結構橫橋向和順橋向地震響應。

表2 墩底內力計算結果 kN·m

從表2可以看出，對比模型1、2、3計算結果，隨著截面尺寸的增大，墩底彎矩也隨之增大。模型4、5、6也有相同的規律。說明由于截面尺寸增大，使得結構剛度增加，從而增大了結構動力響應。

圖9 順橋向彎矩與等效屈服彎矩對比圖

從圖9可以看出，對比模型3、6、7計算結果，在截面尺寸相同情況下，方案三墩底順橋向彎矩顯著減小，顯示出設置阻尼器的優越性。

圖10 橫橋向彎矩與等效屈服彎矩對比圖

從圖10中可以看出，在計算的7個模型中，方案三墩底橫橋向彎矩明顯小于其他兩種約束情況。

3.2 不同約束方式下的墩頂位移

針對上述模型，表3給出橋梁結構橫橋向和順橋向墩頂位移。

表3 墩頂位移計算結果 m

圖11 墩頂位移對比圖

從圖11可以看出，在計算的7個模型當中，方案三的橫、順橋向墩頂位移明顯小于其他兩種約束模型，且從計算結果可以看出，設置阻尼器對減小橫橋向墩頂位移的作用尤為明顯。

4 結論

本文對一高墩大跨變高度鋼桁架橋的隔震效果進行了分析研究，結論如下：

a）主墩未設置阻尼器的墩梁約束形式，隨著截面尺寸增大，墩底順橋向彎矩也隨之增大。說明由于橋墩截面尺寸增大，結構剛度相應增大，從而增大了結構的動力響應；截面尺寸相同時，設置阻尼器的結構模型墩底橫橋向、順橋向彎矩顯著減小，顯示出了設置阻尼器的優越性。

b）設置阻尼器時，結構橫、順橋向墩頂位移明顯小于其他兩種約束形式，且設置阻尼器對減小橫橋向墩頂位移的作用尤為明顯。