強震區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋超高墩受力特性分析

解 欣

(四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院， 四川成都 610017)

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強震區(qū)大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋超高墩受力特性分析

解 欣

(四川省交通運輸廳交通勘察設(shè)計研究院， 四川成都 610017)

為研究探討大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋超高墩采用不同結(jié)構(gòu)時的受力特性，文章以金陽河特大橋為背景，采用通用有限元軟件MIDAS和ANSYS模擬全橋和局部模型，分析鋼管混凝土勁性骨架橋墩和鋼筋混凝土薄壁箱形墩在同等地震作用下的穩(wěn)定性和地震位移響應(yīng)。研究表明：鋼筋混凝土薄壁箱墩的彈性穩(wěn)定性比鋼管混凝土勁性骨架橋墩稍好，超高墩的幾何非線性對橋墩極限承載力有顯著影響，在非線性穩(wěn)定性方面二者相當(dāng)。在E1和E2地震作用下，鋼筋混凝土薄壁箱形橋墩墩頂位移相對較小，只在E2地震作用下的橫橋向位移要大一些。

強震區(qū)； 大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋； 超高墩； 穩(wěn)定性； 地震位移響應(yīng)

1 工程概況

金陽河特大橋位于四川省涼山州金陽縣境內(nèi)，為跨越金陽河溝谷而設(shè)。金陽河兩岸地形陡峭，左岸(東岸)為巖質(zhì)懸崖坡，高約180 m，平均坡度62°；右岸(西岸)為覆蓋較厚的崩坡積碎塊石土層，平均坡度約45°，地形地質(zhì)條件差。本項目區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，對應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。金陽特大橋主橋采用(125+200+200+125) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)(圖1)，橋?qū)?6 m， 0號塊高12.75 m，合龍梁段和邊跨現(xiàn)澆梁段高3.8 m。3個主墩高分別為183.8 m、180 m、89.7 m，墩頂橫橋向8.5 m，順橋向11 m, 主墩墩身沿橋縱向和橫向放坡，以強度、剛度和穩(wěn)定性控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了提高高墩抗震延性和后期剛度、同時為了減輕自重，針對鋼管混凝土勁性骨架墩和鋼筋混凝土薄壁箱形墩兩種結(jié)構(gòu)，分析比較二者的穩(wěn)定性和地震位移響應(yīng)，為大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋超高墩結(jié)構(gòu)方案的制定和決策提供科學(xué)依據(jù)。

圖1 金陽河特大橋總體布置(單位：cm)

2 高墩截面及材料

鋼管混凝土勁性骨架橋墩，采用6根對稱鋼管混凝土柱，鋼管內(nèi)灌注自密式C80混凝土，鋼管外包20c m厚C30鋼筋混凝土(圖2)。鋼筋混凝土薄壁箱形橋墩采用C50鋼筋混凝土單箱雙室(圖3)。

圖2 鋼管混凝土勁性骨架截面

3 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《金陽河特大橋地震安評報告》的地震動參數(shù)，按《公路橋梁抗震設(shè)計細則》中A類橋梁，采用E1和E2兩種地震動水平進行抗震設(shè)防。

圖3 鋼筋混凝土薄壁箱形截面

4 結(jié)構(gòu)仿真分析

主橋結(jié)構(gòu)一共劃分成1 267個節(jié)點，1 188個單元(圖4)；交界墩雙支座通過邊跨端部施加剛臂與主梁連接模擬，樁基抗力采用彈性支座模擬，橋墩底部與承臺及樁基采用剛臂連接。簡單考慮了施工階段。計算中考慮的荷載及作用包括：橋梁結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力荷載、均勻升降溫、梯度溫度、基礎(chǔ)變形位移、汽車制動力、活載、二期恒載、掛籃施工荷載、橫橋和順橋向風(fēng)荷載[1-4]。

圖4 連續(xù)剛構(gòu)方案計算模型

4.1 主墩穩(wěn)定性計算

4.1.1 彈性穩(wěn)定性計算

主墩的一階彈性穩(wěn)定性即特征值屈曲，用于評判主墩的軸向承載穩(wěn)定性[4]。計算工況分最大雙懸臂工況和橋梁成橋階段工況。兩種墩型的彈性穩(wěn)定系數(shù)見表1。

表1 主墩彈性穩(wěn)定系數(shù)

4.1.2 非線性穩(wěn)定計算

本橋主墩高度接近190 m，幾何非線性對極限承載能力有很大影響，為準(zhǔn)確評價主墩的承載能力和設(shè)計安全性，采用ANSYS進行非線性穩(wěn)定承載力分析，考慮超高墩的材料非線性和幾何非線性，通過墩頂?shù)暮奢d位移曲線判斷主墩的極限承載能力和穩(wěn)定系數(shù)。通過全橋整體有限元模型可以計算得到5號墩的墩頂內(nèi)力，作為非線性穩(wěn)定分析的參考荷載。

建立5號墩的精細化有限元模型，包括鋼管、C80核心混凝土以及C30混凝土腹板，其中鋼管混凝土用BEAM188梁單元模擬，腹板C30混凝土采用shell63板單元模擬(圖5、圖6)。高墩按理論軸線建立模型，未計入墩身平面偏位。

根據(jù)墩頂計算荷載進行非線性穩(wěn)定計算，由墩頂?shù)姆€(wěn)定系數(shù)-位移曲線(圖7～圖10)，可知高墩采用不同墩型的非線性穩(wěn)定系數(shù)見表2。

比較表1和表2可以看出，超高墩的幾何非線性對其極限承載力有顯著影響，同時在非線性穩(wěn)定性方面鋼筋混凝土薄壁箱墩與鋼管混凝土勁性骨架墩接近。

圖7 鋼管混凝土勁性骨架墩最大雙懸臂階段穩(wěn)定系數(shù)-位移曲線

圖8 鋼管混凝土勁性骨架墩成橋階段穩(wěn)定系數(shù)-位移曲線

圖9 鋼筋混凝土薄壁箱墩最大雙懸臂階段穩(wěn)定系數(shù)-位移曲線

圖10 鋼筋混凝土薄壁箱墩成橋階段穩(wěn)定系數(shù)-位移曲線

墩型最大雙懸臂階段成橋階段鋼管混凝土勁性骨架橋墩3.45.5鋼筋混凝土薄壁箱形橋墩3.35.5

4.2 地震響應(yīng)計算

對于本橋來說，橋跨大、墩子高，在地震作用下的墩頂位移響應(yīng)是常常需要關(guān)心的主要控制參數(shù)。計算表明不同墩型在E1和E2作用下的位移見表3。

表3 主墩墩頂?shù)卣鹞灰祈憫?yīng) m

由表3可以看出，由于鋼筋混凝土薄壁箱形墩在E1地震作用下縱橫向和E2地震作用的縱向位移都要比鋼管混凝土勁性骨架橋墩位移小，只在E2地震作用下的橫橋向位移要大一些。

5 結(jié)論

(1)在彈性穩(wěn)定方面，鋼管混凝土勁性骨架橋墩和鋼筋混凝土薄壁箱墩的穩(wěn)定都能滿足功能要求，相對來說鋼筋混凝土薄壁箱墩的彈性穩(wěn)定性更優(yōu)。

(2)超高墩的幾何非線性對其極限承載力有顯著影響，在非線性穩(wěn)定性方面鋼筋混凝土薄壁箱墩與鋼管混凝土勁性骨架墩接近。

(3)在E1和E2地震作用下，鋼筋混凝土薄壁箱形橋墩在E1地震作用的縱橫向和E2地震作用的縱向位移都要比鋼管混凝土勁性骨架橋墩位移小，只在E2地震作用下的橫橋向位移要大一些。

計算表明兩種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和地震位移響應(yīng)較接近。

[1] JTGD 60-2015 公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2] JTG/T D60-01-2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].

[3] JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計細則[S].

[4] 李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

全面開展“城市雙修”推動城市轉(zhuǎn)型發(fā)展——住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)《關(guān)于加強生態(tài)修復(fù)城市修補工作的指導(dǎo)意見》

為貫徹落實中央城市工作會議和習(xí)近平總書記系列重要講話精神，在全面總結(jié)三亞“城市雙修”試點工作經(jīng)驗基礎(chǔ)上，3月6日，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)了《關(guān)于加強生態(tài)修復(fù)城市修補工作的指導(dǎo)意見》(以下簡稱《指導(dǎo)意見》)，安排部署在全國開展生態(tài)修得、城市修補(以下簡稱“城市雙修”)工作，明確了指導(dǎo)思想、基本原則、主要任務(wù)目標(biāo)，提出了具體工作要求。

《指導(dǎo)意見》指出，生態(tài)修復(fù)城市修補是治理“城市病”、改善人居環(huán)境的重要行動，是推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、補足城市短板的客觀需要，是城市轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的重要標(biāo)志。

《指導(dǎo)意見》要求，各地將“城市雙修”作為推動供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要任務(wù)，以改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量、補足城市基礎(chǔ)設(shè)施短板、提高公共服務(wù)水平為重點，轉(zhuǎn)變城市發(fā)展方式，治理“城市病”，提升城市治理能力，打造和諧宜居、富有活力、各具特色的現(xiàn)代化城市，讓群眾在“城市雙修”中有更多獲得感。

《指導(dǎo)意見》明確了開展“城市雙修”的基本原則和目標(biāo)，要求以政府主導(dǎo)，協(xié)同推進；統(tǒng)籌規(guī)劃，系統(tǒng)推進；因地制宜，分類推進；保護優(yōu)先，科學(xué)推進。要求2017年，各城市制定“城市雙修”實施計劃，完成一批有成效、有影響的“雙修”示范項目；2020年，城市“雙修”工作初見成效，“城市病”得到有效治理。

《指導(dǎo)意見》從四個方面對推動“城市雙修”工作提出了具體指導(dǎo)意見：

一是完善基礎(chǔ)工作，統(tǒng)籌謀劃“城市雙修”。要求開展城市生態(tài)環(huán)境和城市建設(shè)調(diào)查評估，編制城市生態(tài)修復(fù)和城市修補專項規(guī)劃，制定“城市雙修”實施計劃，統(tǒng)籌謀劃、有序推進“城市雙修”。

二是修復(fù)城市生態(tài)，改善生態(tài)功能。要求尊重自然生態(tài)環(huán)境規(guī)律，落實海綿城市建設(shè)理念，采取多種方式、適宜的技術(shù)，系統(tǒng)地修復(fù)山體、水體和廢棄地，構(gòu)建完整連貫的城鄉(xiāng)綠地系統(tǒng)。

三是修補城市功能，提升環(huán)境品質(zhì)。要求填補城市設(shè)施欠賬，增加公共空間，改善出行條件，改造老舊小區(qū)。在此基礎(chǔ)上，保護城市歷史風(fēng)貌，塑造城市時代風(fēng)貌。

四是健全保障制度，完善政策措施。要求強化組織領(lǐng)導(dǎo)，創(chuàng)新管理制度，積極籌措資金，加強監(jiān)督考核，鼓勵公眾參與。住房城鄉(xiāng)建設(shè)、規(guī)劃部門要爭取城市主要領(lǐng)導(dǎo)的支持，將“城市雙修”工作列入城市人民政府的主要議事議程。

摘自住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部網(wǎng)站

解欣(1980～)，男,碩士研究生,工程師,從事路橋勘察設(shè)計工作。

U442.5+5

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[定稿日期]2017-04-05