橋墩結構參數對單薄壁墩連續剛構橋地震響應的影響研究

唐 楊

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

中國自建國以來，就先后發生了河北邢臺地震、云南大關地震，遼寧海城地震、云南龍陵地震、河北唐山地震、四川汶川地震等數次七級以上的大地震，較小級別的地震數不勝數。在山區跨越大江大河的各種橋型中，連續剛構橋占據了較大的比例，而目前國內外對于橋梁抗震還沒有一套完整、成熟的理論體系，連續剛構橋在地震荷載作用下的動力響應有待進一步深入研究[1]。

目前關于地震荷載作用下連續剛構橋的動力響應影響因素研究主要針對雙肢薄壁墩，鮮有針對單薄壁墩影響因素的分析研究。關于連續剛構橋雙肢薄壁墩的設計參數對地震作用下的動力響應影響方面的研究，饒毅剛[2]以清水江大橋為研究背景，基于反應譜法研究了系梁設置數量對連續剛構橋的地震響應規律，研究表明在地震荷載作用下，主梁的內力在不設置系梁時最小；設置2道及以上系梁時，主梁的內力增長較大；從抗震的角度來說，雙肢薄壁連續剛構橋應當少設系梁。騰杰等[3]針對橫系梁設置的截面尺寸，采用時程分析法研究了橫系梁剛度對橋梁地震內力和變形的影響。周勇軍等[4]除了對系梁數量和剛度對連續剛構橋的地震響應規律進行研究，還采用線性時程分析法對系梁的設置位置進行研究。謝錫康等[5]以某雙肢薄壁墩連續剛構橋為工程背景，分析了地震荷載作用下橋墩高度、橋墩截面以及雙肢薄壁墩間距等影響因素對橋梁典型截面內力和變形的影響。由此看來，雙肢薄壁墩的各種結構參數對連續剛構橋地震效應的影響研究較為充分。周勇軍等[6]利用線性時程分析法，以某三跨連續剛構橋為工程背景，對單薄壁墩和雙薄壁墩下的連續剛構橋的地震響應進行了對比研究，但是沒有針對單薄壁墩的結構參數對連續剛構橋地震響應的影響研究。

地震作用下的動力響應研究主要采用反應譜法[7,8]和時程分析法[9-11]。本文將依托重慶市忠縣忠州鎮龍潭渡大橋，基于時程分析法，針對橋墩的截面形狀和截面尺寸，研究橋墩結構參數的改變對連續剛構橋地震響應的影響。

1 工程概況

龍潭渡大橋位于重慶市忠縣忠州鎮，大橋跨越甘井河，主橋為(55+100+55)m的三跨連續剛構橋。 箱梁采用單箱單室截面形式，跨中梁高及邊跨直線段梁高為3 m，墩頂根部梁高為7 m，梁高變化段梁底曲線為1.8次拋物線，中跨直線段長為2 m，邊跨直線段長為5.9 m。頂板寬為9 m，設置雙向2%橫坡，底板寬為6 m，兩側懸臂板均寬為1.5 m。懸臂根部厚為50 cm，懸臂板端部厚為15 cm，箱梁頂板厚為28 cm，底板厚為35～140 cm，腹板厚為40～60 cm，截面轉角處均設置倒角過渡。箱梁共設置2道橫隔板，分別在兩主墩墩頂各設置1道橫隔板。箱梁零號塊長為14 m，每個“T構”縱橋向劃分12個對稱梁段，箱梁梁段數及梁段長度從根部至跨中分別為6×3 m、6×4 m，懸臂段累計總長為42 m，全橋合計共3個合龍段，分別是2個邊跨合龍段和1個中跨合龍段，合龍段長度均為2 m。每個邊跨合龍段兩側各設置一個邊跨現澆段，現澆段長為3.9 m。箱梁縱向預應力采用Φs15.2-9、Φs15.2-12和Φs15.2-15三種預應力鋼束。

龍潭渡大橋的主墩采用單薄壁墩，4號墩和5號墩的墩高均為26 m，橫橋向墩寬為6 m，墩厚為3 m。承臺橫橋向寬為10.2 m，縱橋向寬為8 m，厚為3 m。主橋橋墩承臺下設置6根群樁基礎，樁徑為180 cm，4號墩承臺下樁長為39 m，5號墩承臺下樁長為36 m。由于龍潭渡大橋結構相對于中跨跨中對稱，在此僅給出1/2結構的示意如圖1所示。

圖1 龍潭渡大橋1/2結構(單位：cm)

2 有限元建模

采用Midas Civil建立梁單元模型。邊界上將樁基礎與承臺采用剛性連接，單薄壁墩與主梁零號塊采用剛性連接，樁基礎與土接觸的地方考慮為固結，不考慮樁―土作用。精確模擬邊跨支座位置，兩個邊跨支座節點與主梁節點剛性連接，將兩個支座節點設置為一般支承，其中一個支座約束橫橋向與豎向平動自由度，一個支座只約束豎向自由度。

龍潭渡大橋的混凝土箱梁采用C55混凝土，彈性模量為35 500 MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。橋墩采用C40混凝土，彈性模量為32 500 MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。承臺與樁基礎采用C30混凝土，彈性模量為30 000 MPa，泊松比為0.2，重度為25 kN/m3。預應力鋼絞線的抗拉強度標準值為1 860 MPa，彈性模量為195 GPa，泊松比為0.3，重度為78.5 kN/m3，錨下張拉控制應力為1 357.8 MPa，錨具變形和鋼束回縮值為6 mm，管道摩阻系數0.17，管道偏差系數0.001 5。

時程分析采用1940，EI Centro，270 Deg地震波。根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)(下面簡稱《抗震細則》)3.1.2條以及《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)1.0.5條之規定，龍潭渡大橋的橋梁抗震設防類別為C類；由《抗震細則》3.1.4條之規定，龍潭渡大橋抗震重要性系數為0.43；由龍潭渡大橋地質構造圖以及《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)4.1.3～4.1.6之規定，龍潭渡大橋的場地類型為Ⅱ類；根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)查詢得到忠縣地區的地震動峰值加速度為0.05g；由《抗震細則》5.2.2條之規定，龍潭渡大橋的場地系數為1.0；由《抗震細則》5.2.4條之規定，龍潭渡大橋的阻尼調整系數為1.0。根據以上設計參數計算得到地震波的放大系數為0.060 2。時程函數如圖2所示。

圖2 時程函數

3 實心墩地震響應分析

以龍潭渡大橋的橋墩截面為基礎，在不改變原橋墩截面面積的情況下，研究截面尺寸改變對單薄壁連續剛構橋地震響應的影響。原橋墩的順橋向尺寸為3 m，現將橋墩的順橋向尺寸改變為4 m、5 m、6 m，這樣橫橋向尺寸變為4.5 m、3.6 m、3 m。通過計算，在順橋向和橫橋向地震作用下，墩底和墩頂的彎矩較大，主梁跨中的順橋向位移和橫橋向位移最大。具體見圖3。

由圖3(a)可以看出，在順橋向地震荷載作用下，橋墩截面積不變，隨著順橋向截面尺寸的增加、橫橋向截面尺寸的下降，墩底彎矩逐漸降低，而墩頂彎矩逐漸升高。總體上看，順橋向地震荷載作用下，橋墩截面積不變的情況下隨著順橋向尺寸的增大造成彎矩峰值的增加。在橫橋向地震荷載作用下，橋墩截面積不變，隨著順橋向截面尺寸的增加、橫橋向截面尺寸的下降，墩頂彎矩和墩底彎矩均有所下降。由圖3(b)可以看出，在順橋向地震荷載作用下，主梁跨中的順橋向位移逐漸下降；橫橋向地震荷載作用下，主梁跨中的橫橋向位移變化不太明顯。順橋向地震荷載作用下，橋墩順橋向尺寸由3 m×6 m變化到6 m×3 m，彎矩峰值上升18.3%，位移下降6.1%；橫橋向地震荷載作用下，橋墩順橋向尺寸由3 m×6 m變化到6 m×3 m，彎矩峰值下降24.0%，位移上升1.9%。綜合彎矩和位移來看，橋墩截面積不變，隨著順橋向截面尺寸的增加、橫橋向截面尺寸的下降，橋墩的彎矩峰值下降較大，順橋向位移下降較小，橫橋向位移變化不太明顯，連續剛構橋的地震響應有所減弱。

圖3 實心等面積橋墩地震響應對比

以龍潭渡大橋的橋墩截面為基礎，下面研究橋墩截面面積變化時，截面面積改變對單薄壁連續剛構橋地震響應的影響。原橋墩的順橋向尺寸為3 m，現將橋墩的順橋向尺寸改變為4 m、5 m、6 m，而橋墩的橫橋向尺寸不變。通過計算，順橋向和橫橋向地震作用下墩底和墩頂的彎矩以及主梁跨中的順橋向位移和橫橋向位移變化情況見圖4。

由圖4可以看出，隨著橋墩順橋向尺寸的增加，順橋向地震荷載作用下的墩底彎矩逐漸降低，墩頂彎矩逐漸升高，跨中主梁順橋向位移逐漸下降；橫橋向地震荷載作用下的墩底、墩頂彎矩均逐漸升高，跨中主梁橫橋向位移逐漸升高。順橋向地震荷載作用下，橋墩順橋向尺寸由3 m變化到6 m，彎矩峰值上升了46.8%，位移下降了1.4%；橫橋向地震荷載作用下，橋墩順橋向尺寸由3 m變化到6 m，彎矩峰值上升了46.8%，位移上升了6.2%。總的來看，隨著順橋向截面尺寸的增加，橋墩的彎矩峰值上升較為明顯，連續剛構橋的地震響應明顯增強。

圖4 實心變面積橋墩地震響應對比

4 空心墩地震響應分析

龍潭渡大橋的橋墩為實心截面，在實際工程中也存在空心截面的橋墩，在不改變3 m×6 m的截面面積18 m2以及截面外輪廓尺寸為6 m×6 m的情況下，將截面的內輪廓尺寸設置為4 m×4.5 m、4.5 m×4 m、5 m×3.6 m、3.6 m×5 m。通過計算，順橋向和橫橋向地震荷載作用下墩底和墩頂的彎矩以及主梁跨中的位移變化情況見圖5。

由圖5可以看出，在截面面積不變的情況下，矩形空心墩的挖空截面尺寸對彎矩和位移影響不大。由此看來，在不改變矩形空心墩截面面積的情況下，矩形空心墩的挖空截面尺寸對地震響應的影響不大。

以截面尺寸為6 m×6 m的實體截面為基礎，在橋墩中心挖空，空心截面尺寸為1 m×1 m、2 m×2 m、3 m×3 m、4 m×4 m。地震荷載作用下墩底和墩頂的彎矩以及主梁跨中的位移變化情況見圖6。

由圖6可以看出，在順橋向地震荷載作用下，矩形墩的中心挖空截面尺寸的增加，順橋向彎矩峰值和順橋向位移先增加后降低，挖空矩形截面邊長由1 m變化到4 m，彎矩峰值下降8.7%，位移下降4.2%；在橫橋向地震荷載作用下，矩形墩的中心挖空截面尺寸越大，橫橋向位移和橫橋向彎矩峰值越低，挖空矩形截面邊長由1 m變化到4 m，彎矩峰值下降16.0%，位移下降8.5%。總的來看，挖空矩形截面邊長由1 m變化到4 m，彎矩峰值下降16.0%，位移峰值下降8.5%。由此看來，矩形空心墩的挖空截面尺寸的增加可以降低連續剛構橋的地震響應。

圖5 空心等面積橋墩地震響應對比

圖6 空心變面積橋墩地震響應對比

5 結論

(1)實心橋墩截面積不變的情況下，隨著順橋向截面尺寸的增加、橫橋向截面尺寸的下降，橋墩的彎矩峰值下降較大，順橋向位移下降較小，橫橋向位移變化不太明顯，連續剛構橋的地震響應有所減弱。

(2)實心截面橋墩隨著順橋向截面尺寸的增加，橋墩的彎矩峰值上升較大，位移變化較小，連續剛構橋的地震響應明顯增強。

(3)在截面面積不變的情況下，矩形空心墩的挖空截面尺寸對彎矩和位移影響不大。由此可見，在不改變矩形空心墩截面面積的情況下，矩形空心墩的挖空截面尺寸對地震響應的影響不大。

(4)隨著矩形空心墩挖空截面尺寸的增加，橋墩的彎矩峰值與位移峰值均有所下降，可見挖空截面尺寸的增加可以降低連續剛構橋的地震響應。