基于橋墩形式對連續剛構橋動力特性的影響研究

楊裕成

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

基于橋墩形式對連續剛構橋動力特性的影響研究

楊裕成

(貴州橋梁建設集團有限責任公司，貴州 貴陽 550001)

通過對ANSYS有限元程序的應用，對某高速公路連續剛構橋進行分析，同時對邊跨支座處的彈性約束作用進行考慮，并對該高速公路剛構橋動力計算的整體空間有限元進行模型計算，了解該橋橋墩在使用鋼筋混凝土時的動力性能。

橋墩形式；連續剛構橋；動力特性；影響研究

1 橋梁結構有限元模型

本文以某大型公路橋梁為例進行分析，其主橋跨徑布置為60 m+90 m+60 m，左右分別一副，單幅橋面的凈寬度為13 m。同時，其屬于變截面單箱單室結構的主梁，并采用強度為C50的混凝土。主橋兩橋墩墩高均為45 m，并采用強度為C30的混凝土。通過對實橋相關參數的分析，將有限元模式進行有效建立，橋梁中采用了四種形式的橋墩。第一是四柱式橋墩，其截面尺寸為2.35 m×1.5 m,橫橋向間距為3.5 m，縱橋向間距為0.8 m；第二是單薄壁空心墩，其截面尺寸為8.5 m×4.0 m；第三是獨柱實心墩，其墩截面直徑為4.5 m；第四是雙薄壁空心墩，其截面尺寸為8.5 m×2.0 m,縱橋向間距為0.8 m。為了對該公路橋梁的動力特性進行分析，需要通過有限元程序ANSYS來實現計算。基于連續剛構橋自身明顯的結構特征，并對以往類似建筑動力計算的結果進行分析，該橋梁有限元模式額單元類型得到確認。其中，通過空間板殼單元Shell 63模擬主梁，通過空間梁單元Beam 4對橋墩進行模擬。另外，根據橋梁的施工規范和設計圖紙來對計算材料參數加以確定，并根據橋梁設計圖紙來確定最終幾何參數。

2 橋梁結構的動力分析

2.1 橋梁結構常見的動力分析方法

對了對結構的動力特征進行全方位分析，ANSYS程序共有七種可以計算的方法，第一是子空間法；第二是分塊Lanczos法；第三是PowerDynamics法；第四是縮減法；第五是非對稱法；第六是阻尼法；第七是QR阻尼法。在這幾種計算方法中，最優的計算方法屬于子空間法，其采用并結合了Jacobi迭代算法和子空間迭代技術。同時，子空間法的質量矩陣和剛度矩陣都很完整，具有很高的求解精確度，能夠有效分析大型結構的模型。因此，本文通過子空間法來計算橋梁結構的動力。

2.2 橋梁結構的動力特性

通過ANSYS的計算，能夠有效得出該橋在成橋狀態下，由于橋墩形式的不同，而產生的自振頻率和前10階振型基本狀態。經過對幾種墩柱全橋頻率的分析能夠發現，采用幾種橋墩形式的時候，會因此增大結構的自振頻率，其依次為，第一是四柱式橋墩；第二是雙薄壁空心墩；第三是單薄壁空心墩；第四是獨柱空心墩，而前10階自振頻率的提高幅度依次為，15.3%、36.8%、36.2%、34.5%。在這種幾種橋墩形式中，自振頻率最高，且擁有最大結構剛度的是獨柱實心墩，而其中剛度最小的則是四柱式橋墩。

雙薄壁空心墩和四柱式橋墩只有在第十階振型是獨自具有有，而其它幾個不同的階數都具有相同振動特性的振型。獨柱實心墩和單薄壁空心墩相同的是前六階的振動特性，后面的四階具有較大差別的振型。所以可以得出結論，振型不會因為雙薄壁空心墩和四柱式橋墩而產生很大影響，而獨柱空心墩和單薄壁空心墩相對來說差距更大一點，其振動特性相同的只有前面幾階振型。在10階振型中，雙薄壁空心墩和四柱式橋墩中高墩的擺動占有65%的比例，在單薄壁空心墩為25%，獨柱實心墩只有10%的比例。這說明，雙薄壁空心墩和四柱式橋墩主要是高墩彎曲所形成的振動，這也能夠充分說明，局面屈曲、剪切失效和破壞彎曲是橋梁震害中最為嚴重的破壞形式，其能導致橋梁產生沉陷和傾斜，甚至可能出現落梁和坍塌等嚴重后果。而基于獨柱實心墩具有較大的剛度，能夠對墩柱的各類破壞起到有效的減少并避免，并為橋梁的安全通行提供保障。

3 地震波作用下的動力性能分

為了對地震波作用進行科學的分析，本文采用了Taft波和ElCentro波來進行具體分析，并對前16S的波形進行分別采取。當前，因為地震波峰值加速至等同于0.25g，所以需要從如下兩個方向進行分別考慮，即橫橋向和縱橋向。其中，橫橋向在ElCentro作用下，剪力最小的時候是四柱式橋墩底，另外三類橋墩墩底剪力分別比它，依次是18.2%、14.8%、42.9%，但其中雙薄壁空心墩的橋梁上出現了跨中和墩頂的最大值位移，其分別為0.197 m和0.240 m。而橫橋向在Taft的作用下，剪力最小的時候為單薄壁空心墩，其它幾個形式橋墩墩頂剪力分為比它高，依次是3.8%、10.5%、58.4%，但其中四柱式橋墩出現了跨中和墩頂的最大值位移，其分別為0.259 m和0.318 m。Taft波和ElCentro波進行相比，獨柱實心墩和四柱式橋墩在Taft波作用下能產生更大的動力反應，獨柱實心墩墩底剪力增大了22.3%，墩頂位移增大了22.1%，跨中位移增大了15.8%；而四柱式橋墩墩底剪力增大5.8%，墩頂位移增大68.9%，跨中位增大了69.4%。但雙薄壁空心墩和單薄壁空心墩在Taft波作用下的動力反應不及ElCentro波，其中雙薄壁空心墩墩底剪力減小了3.7%，墩頂位移減小了8.25%，跨中位移減小了10.95%；而單薄壁空心墩墩底剪力也減少了10.5%，跨中位移減小22.4%，墩頂位移減小21.9%。縱橋向在ElCentro作用下，其中墩頂剪力最小的為單薄壁空心墩，其他幾類分別高出18.5%、18.9%和6.3%，但四柱式橋墩的跨中位移和墩頂出現最大值位移，其分別為0.033 m和0.03 m。縱橋向和橫橋向地震波作用相比較，位移較小的是縱橋向。但是基于地震波結構的自振特性和卓越周期的不同，其最終反應的結構也是有所差別的。

通過對抗震性進行科學計算和綜合分析動力特性可以發現，單薄壁空心墩結構振型振動一般是以橋面體系為主，其在Taft波和ElCentro波的作用下，會使墩頂、墩底剪力和中跨跨中發生位移變化，并且，這種情況帶來的影響要比其他幾種形式都小。所以，在實踐施工過程中，單薄壁空心墩形式的墩身，更加適宜于連續剛構橋，在提高橋梁整體穩定性、安全性等方面發揮著重要作用。

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[2] 謝群華.大跨度連續剛構橋抗震性能分析[J].現代交通技術,2016,13(4):32-35.

[3] 董學申,劉興順,寧曉駿等.大跨度連續剛構橋橋墩的地震響應分析[J].價值工程,2016,35(31):120-121.

2017-04-10

楊裕成(1979-)，男，貴州天柱人，工程師，研究方向：土木工程。

U442

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：1008-3383(2017)06-0097-02