鋼管混凝土橋墩的抗震性能研究

李 勝 牟廷敏 范碧琨 趙藝程

（1 四川交通職業技術學院；2 四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院）

0 引言

我國西部山區地形地質條件復雜，地震烈度高，橋梁受地形條件限制，往往需要采用高墩大跨結構。連續剛構橋以其內力分布合理、跨越能力強、造型美觀等優點，在西部山區廣泛應用，并逐漸朝跨徑更大、橋墩更高的方向發展。目前連續剛構橋的橋墩多采用鋼筋混凝土結構，但是鋼筋混凝土自重大，當用于高墩、大跨、高地震烈度區的橋梁時，結構抗震設計復雜[1]。因此，本文對比了鋼管混凝土橋墩和鋼筋混凝土橋墩的地震效應，結果表明，鋼管混凝土橋墩更適合于高烈度重山區大跨高墩連續剛構設計時采用。

鋼管混凝土橋墩設計

某連續剛構跨徑布置為106m+2×200m+115m+40m，如圖2-1所示。其中5#、6#、7#墩高分別為 113、195、178m。橋梁全寬 16m，設計荷載公路-Ⅰ級，地震基本烈度7.7度，地震加速度峰值：E1地震下0.151g，E2地震下0.274g。按傳統設計，連續剛構橋墩在此高度范圍內時，多采用箱型截面，并且箱型截面根據受力需要進行橫縱橋向放坡設計，提高截面承載能力。但是當墩高超過一定高度，地震烈度又較大時，箱型截面的尺寸和地震效應大，橋梁抗震設計困難。所以本文提出采用鋼管混凝土橋墩設計，構造如圖2-2所示。

其中5#、6#、7#主墩為鋼管混凝土橋墩，鋼管混凝土橋墩由四肢格構柱及柱間混凝土肋板形成單箱單室截面。在主梁翼板根部，墩橫橋向寬11.9m，5#墩橫向不放坡，6#和7#墩橫向按60：1放坡；縱橋向5#墩頂寬9.4m，6#和7#墩墩頂寬11.0m，縱向均不放坡。

1 某大跨高墩連續剛構總體布置圖

2 主墩設計尺寸示意圖

2.1 有限元模型的建立

為分析對比鋼管混凝土橋墩連續剛構和鋼筋混凝土橋墩連續剛構的抗震性能，本文采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL分別建立上述兩種結構的空間桿系模型。

其中，鋼管混凝土橋墩連續剛構模型的結構構造參數按設計取值，鋼筋混凝土橋墩連續剛構模型僅將 5#～7#主墩截面修改成鋼筋混凝土箱型截面，縱橫向按70：1放坡，截面壁厚100cm，材料為C50混凝土。截面尺寸如圖3-1、3-2所示，空間桿系模型如圖3-3所示。

圖3 -1 鋼筋混凝土空心墩截面

圖3 -2 鋼筋混凝土空心墩局部模型如圖3-1

圖3 -3 連續剛構有限元計算模型

地震荷載按該橋《安評報告》取值，地震基本烈度7.7度，按照50年超越概率10%，水平地震加速度峰值PGA=0.151g（E1地震），地震動反應譜特征周期為0.45s；按照50年超越概率2%，水平地震加速度峰值PGA=0.274g（E2地震），地震動反應譜特征周期為0.50s。其余計算荷載按規范和設計文件取值。

2.2 地震作用效應

分別對鋼管混凝土橋墩連續剛構模型和鋼筋混凝土橋墩連續剛構模型進行E1反應譜分析和E2時程分析，對比兩種結構在E1、E2地震荷載作用下的結構反應。

一.E1地震作用下主墩控制截面內力

進行 E1地震作用下的反應譜分析，計算得 5#墩墩頂與墩底截面、6#墩墩頂與墩底截面、7#墩墩頂與墩底截面[2]處內力如表4-1所示。

表3 -2 E1地震作用下主墩控制截面內力

注：彎矩增大率=（鋼筋混凝土墩-鋼管混凝土墩）/鋼管混凝土墩

由以上數據可知：兩類主墩地震響應規律基本一致。6#墩墩底橫橋向彎矩最大，分別為1.25×106kN·m和1.91×106kN·m，其余截面彎矩均表現為鋼筋混凝土空心墩大于鋼管混凝土橋墩，增幅約53%～134%。其中， 6#墩采用鋼管混凝土橋墩比采用鋼筋混凝土空心墩，墩底橫向彎矩減小了約40%，優勢明顯。

二.E2地震作用下主墩控制截面內力

進行 E2地震作用下的時程分析，計算得 5#墩墩頂與墩底截面、6#墩墩頂與墩底截面、7#墩墩頂與墩底截面處內力如表4-2所示。

表4 -2 E2地震作用下主墩控制截面內力

注：（鋼筋混凝土墩-鋼管混凝土墩）/鋼管混凝土墩

對比兩類結構5#～7#墩墩頂和墩底處的縱、橫向彎矩可得，6#墩墩底橫橋向彎矩最大，分別為3.0×106kN·m和4.0×106kN·m。橫向彎矩在6#墩墩頂截面兩者基本一致，其余截面鋼筋混凝土空心墩均大于鋼管混凝土橋墩，增幅約33%～70%。縱向彎矩除7#墩墩頂截面外，其余截面鋼筋混凝土空心墩均大于鋼管混凝土橋墩，增幅約31%～191%。雖然7#墩墩頂截面縱向彎矩鋼管混凝土橋墩比鋼筋混凝土空心墩大38%，但數量級為105，與控制彎矩相比絕對數值較小，所以鋼管混凝土橋墩的抗震優越性較為明顯。

2.3 基本動力特性

兩種結構的前五階頻率和振型列于表5-1。兩類結構在振型表現上是一致的，從基頻來看，鋼管混凝土橋墩連續剛構的基頻為0.157，略小于鋼筋混凝土空心墩連續剛構的基頻0.196，其余各階頻率鋼管混凝土橋墩連續剛構均小于鋼筋混凝土橋墩連續剛構，說明鋼管混凝土橋墩剛度較柔，對抗震有利。

表5 -1 兩種結構體基本動力特性對比

表6 -1 成橋狀態各加載位置下的穩定安全系數

2.4 穩定性分析

高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋由于橋墩高，墩的柔度增大，剛度大大削弱，使得橋梁的穩定性減弱[3]。因此，本小節對兩類結構體系的穩定性進行分析對比。

分別對兩類結構體系進行全橋穩定性分析，計算結果如表6-1所示。

從計算結果可以看出，鋼管混凝土橋墩連續剛構的各階穩定安全系數小于鋼筋混凝土橋墩連續剛構，但兩種結構成橋階段的穩定安全系數均遠大于4，結構穩定性較好。

3 結論

通過對比鋼管混凝土橋墩連續剛構和鋼筋混凝土橋墩連續剛構的地震作用效應、動力特性和穩定性，可以得出：

（1）采用鋼管混凝土橋墩的連續剛構墩身地震內力響應明顯小于采用鋼筋混凝土橋墩的連續剛構墩身內力，結構的地震響應小。

（2）從各階頻率和周期來看鋼管混凝土橋墩連續剛構的各階頻率略大于鋼筋混凝土橋墩連續剛構，說明鋼管混凝土橋墩剛度較小，對抗震有利。

（3）鋼管混凝土橋墩連續剛構的橋墩較柔但其成橋階段的穩定系數遠大于4，結構穩定性較好。

（4）通過對比發現，鋼管混凝土橋墩的抗震性能優于鋼筋混凝土橋墩，與鋼筋混凝土橋墩相比更適合于高烈度重山區大跨高墩連續剛構設計時采用。