大跨度雙肢薄壁墩連續剛構橋動力特性分析

王 平

（上海市市政規劃設計研究院有限公司，上海市 200031）

0 引言

連續剛構橋因其外形輕巧，整體性能好、結構剛度大、變形小，經濟實用、施工方便等特點成為目前各地廣泛修建的橋型之一。連續剛構橋是連續梁橋與T型剛構橋的組合形式，也稱墩梁固結的連續梁橋，采用雙肢薄壁墩的連續剛構橋，在恒載模式下，墩頂負彎矩較相同跨徑的連續梁橋要小；在活載模式下，活載引起的跨中正彎矩較連續梁也要小[1]，因此連續剛構橋主跨徑可比連續梁要大，即適用于大跨徑橋型。

大跨度連續剛構橋橋墩不僅要滿足豎向荷載的要求，而且需要利用橋墩的柔性來平衡溫度變化、混凝土收縮徐變、制動力等引起的水平位移，以達到減小上述不利因素對結構產生的次內力。目前常用的連續剛構橋橋墩形式主要有雙肢薄壁墩和單肢空心墩，雙肢薄壁墩水平抗推剛度較小，縱向允許的變位較大，可以減小主梁附加次內力；單肢空心墩抗扭性好，穩定性強，柔性較差。本文以在建大跨度連續剛構橋為例，分別以雙肢薄壁墩和單肢空心墩兩種橋墩為計算模型，分析兩種橋墩形式下橋梁動力特性和地震響應，并進行對比，獲得有益結論。

1 工程概況

在建連續剛構橋橋跨布置為80 m+145 m+145 m+80 m，主梁采用單箱單室變截面預應力箱梁，頂板設2%橫坡，底板下緣保持水平。單幅梁寬16.25 m，懸臂長 3.8 m，梁高 3.8～8.8 m，梁底采用1.8次拋物線，過渡墩頂附近8 m及中跨跨中2 m范圍內為等高梁段，梁高3.8 m。自等梁高段至墩頂51 m范圍，主梁高度有3.8 m變至6.0 m，兩側腹板斜率不變，底板寬度由7.093 m變至6 m；自等梁高段至墩頂51～76 m范圍，梁高由6.0 m變至8.8 m，底板寬度6 m不變，主梁高度豎直增加，主墩中心線兩側各3.25 m范圍內梁高均為8.8 m。

主墩墩身分別采用兩種形式：雙薄壁墩由兩片1.5 m厚矩形截面墩柱組成，尺寸為6 m×1.5 m；單肢空心墩截面尺寸為6 m×6.5 m，壁厚分別為1.5 m和1.2 m，由承臺采用矩形承臺，厚度5 m，主梁與橋墩均采用C50混凝土，承臺采用C35混凝土。樁基采用?2.2 m大直徑鉆孔灌注樁，共9根。主梁橫斷面及兩種形式主墩墩身截面見圖1、見圖2。

圖1橋梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖2兩種形式主墩墩身截面圖（單位：cm）

2 模型建立

運用有限元分析軟件MIDAS Civil建立全橋模型。主梁、橋墩、承臺及樁基均采用梁單元模擬。有限元計算模型的總體坐標系以順橋向為X軸，以橫橋向為Y軸，以豎向為Z軸。

全橋模型中共建立597個單元，橋墩、主梁、承臺、樁基之間均采用剛性連接，橋梁兩端采用Uy，Uz，Rx三個自由度約束。樁基考慮樁土作用，將下部結構樁基礎入土部分用彈簧剛度來模擬土的剛度，采用“m”法[2]計算，其定義如下：

式中：σzx為土體對樁的橫向抗力；z為土層的深度；xz為樁在z處的橫向位移（即該處的土的橫向變位值），此可求出等代土彈簧的剛度ks：

其中，a為土層的厚度；bp為樁柱計算寬度。兩種截面形式橋墩模型見圖3、圖4。

圖3雙肢薄壁墩橋梁計算模型

圖4單肢空心墩橋梁計算模型

3 動力特性分析

采用上述計算模型，分別對兩種主墩形式橋梁進行動力特性分析，并進行對比。兩種結構形式自振頻率和模態見表1。

由表1可以得出兩種結構形式橋梁的振型序列不一致，設置雙肢薄壁墩橋梁的一階模態是橋墩同向縱彎，頻率0.369 3 Hz，而設置單肢空心墩橋梁的橋墩同向縱彎出現在第4階模態，頻率0.781 0 Hz，說明雙肢薄壁墩的縱向剛度較小、柔度較好；單肢空心墩橋梁的一階模態是橋墩同向橫彎，頻率0.540 5，相對雙肢薄壁墩橋梁橋墩同向橫彎時頻率0.458 9要大15%，說明雙肢薄壁墩的橫向剛度比單肢空心墩要小。兩種結構形式橋梁的主墩一階縱彎和橫彎的自振振型見圖5。

圖5 兩種結構形式振型圖

4 地震響應對比分析

采用反應譜法分別對雙肢薄壁墩橋梁和單肢空心墩橋梁進行地震響應分析。橋址處基本烈度為7度，計算時提高1度，按8度設防，場地按IV類場地土考慮，計算中抗震重要性系數取1.7，場地系數取1.3[3]。確定的加速度反應譜見圖6。

表1 兩種結構形式自振頻率對比表

圖6 加速度反應譜

應用平方和開方法(SRSS法)組合最大振型反應，在縱橫兩個方向進行加速度值輸入，得到兩種結構形式橋梁主要截面位移和內力，對比結果見表2～表 5。

由表2和表4可得出：縱向地震反應譜輸入下，雙肢薄壁墩橋梁各主要截面的縱向位移均大于單肢空心墩橋梁，約為2.5倍。設置雙肢薄壁墩的上部結構內力均較小，其中左中跨跨中軸力僅為為單肢空心墩橋梁的19.3%，四個跨中截面剪力均約為單肢空心墩橋梁的35%，邊跨跨中彎矩約為41%，中跨跨中彎矩約為25%；下部結構主墩的剪力和彎矩也較小，約為單肢空心墩橋梁主墩的25%～30%，而軸力卻偏大，其中中墩軸力增大約4.3倍，可見采用雙肢薄壁墩結構可有效減小主梁內力，減低墩身彎矩和剪力，卻以增加墩身軸力為前提。

表2 縱向地震反應譜分析縱向位移（m）結果對比

表3橫向地震反應譜分析橫向位移（m）結果對比

表4 縱向地震反應譜分析內力結果對比

表5 橫向地震反應譜分析內力結果對比

由表3和表5可得出：橫向地震反應譜輸入下，雙肢薄壁墩橋梁各主要截面的橫向位移與單肢空心墩橋梁較為接近，增加幅度約為10%～20%。設置雙肢薄壁墩的上部結構除軸力值較小，與單肢空心墩橋梁較為接近外，剪力和彎矩均小于單肢空心墩橋梁，減小幅度約為20%～30%；下部結構主墩的軸力值也較小，剪力和彎矩的減小幅度約為50%～60%。

5 結論

（1）與單肢空心墩連續剛構橋相比，雙肢薄壁墩連續剛構橋的縱向剛度要小，結構體系柔性較好，但對結構橫向動力較為不利。

（2）相對于單肢空心墩連續剛構橋，雙肢薄壁墩連續剛構橋上部結構內力改善較為明顯，下部結構彎矩和剪力也都減小，但軸力卻顯著增加。

（3）本文針對給定橋例進行分析，其結論對于大跨度連續剛構橋橋墩類型選擇具有參考意義，應該指出的是隨著墩高的不斷增加，單肢墩的柔性會逐漸增加，因此對于墩身較高的連續剛構橋，墩身形式還需合理選擇才能滿足經濟安全的橋梁設計原則。