空心與雙肢組合式橋墩抗震性能研究

陳 飛

（重慶交通大學，重慶 400074）

隨著我國經濟的高速發展，我國的公路交通建設取得了突出成果，相應的橋梁建設也進入了新的發展期。在修建大跨度橋梁時，往往會因為地形或環境要求采用高橋墩，而高橋墩大跨徑橋梁也因為自身特有優勢而被廣泛應用。

在第二次世界大戰之后，高墩大跨徑橋梁才逐步發展應用起來，通常高墩橋梁一般應用在跨峽谷或深水處。我國的高墩大跨橋梁是從20 世紀70 年代開始發展起來的，雖然起步較晚但是發展十分迅速，墩高達100m 的南昆鐵路喜舊溪大橋是當時中國修建的世界最高墩鐵路橋。20 世紀70 年代以來，我國就修建了多座空心高墩橋，空心高墩能夠有效減小墩身的自重并提高橋梁的抗震性能。雙肢墩由于其出色的受力性能也廣受國內外學者好評。地震災害古往今來時有發生，大地震的發生往往會給人民生命財產造成不可估量的損失，大量地震災害調查表明：地震中許多橋梁的損毀都是以下部橋墩為主，故橋梁下部墩臺形式設計的合理與否關系到整座橋梁的質量好壞。正因如此，對于不同形式的高墩抗震性能分析是十分重要的。文章通過對一種雙肢與空心墩組合形式橋墩的抗震性能研究，從而說明該組合形式高墩比其他形式高墩抗震性能的優越性，為同類橋梁設計提供參考。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

某雙塔中央索面鋼混組合結構高墩大跨度斜拉橋，邊跨采用混凝土箱梁，中跨為鋼箱梁結構，跨徑為44.2+2×50+55.8+520+55.8+2×50+44.2=920m。鋼箱梁箱梁外觀與鋼箱梁協調一致，梁中心線處梁高3.525m，頂板寬27.5m，風嘴寬度為1.5m，箱底板寬26.11m，全寬30.5m，索塔處塔梁固結。全橋共有6 個輔助墩、1 個過渡墩、1 個橋臺和拉索64 對。整體布置如圖1 所示。

橋梁主塔墩高為169m，其中下部柱墩處采用雙肢+空心墩設計，雙肢薄壁段高28m，空心墩段高39m。其截面構造如圖2 所示。

1.2 模型建立

采用Midas 有限元軟件建立全橋分析模型，分別建立雙肢薄壁+空心墩模型與空心墩模型，對兩者進行地震作用下的受力對比分析。為充分模擬橋梁在地震作用下的受力情況，建立模型時考慮樁土相互作用的影響，土剛度用規范中給定的“m”法計算；橋梁的主梁、主塔墩和輔助墩均采用梁單元模擬，拉索用桁架單元模擬；拉索與主梁和橋塔采用剛性連接；根據設計要求，塔墩梁處采用剛性連接模擬橋梁的固結體系。模型中混凝土主梁采用C55 混凝土，主塔墩采用C50 混凝土，輔助墩采用C40 混凝土，各墩底樁基礎均采用C35 混凝土。中跨的鋼箱梁型號為Q345C。二期恒載與橋面鋪裝以均布荷載的形式施加在主梁上。兩種有限元模型如圖3、圖4 所示。

在進行抗震性能分析時，采用時程分析法中的振型疊加法，對橋梁進行E2 地震作用下（50 年超越概率2%）進行分析，阻尼輸入方式為振型阻尼，阻尼比取0.03。地震波輸入采用人工擬合波，人工擬合的地震波需要與實際場地地震特性相符合，故進行地震波擬合時應考慮地震波的3 要素：頻譜特性、有效峰值和持續時間。根據以上要求擬合出3 條符合條件的地震波，并取3 條地震波計算結果的最大值進行分析。用時程法分析時，地震波輸入方向為縱向+豎向和橫向+豎向。其中，豎向地震作用按規范《公路橋梁抗震細則中》中規定的取水平地震波的0.65 倍。

圖1 白沙大橋整體布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁主墩構造

圖3 雙肢薄壁+空心墩模型

圖4 空心墩模型

2 結果分析

對模型進行運行分析，分別提取兩模型主墩底內力、塔底內力和塔頂位移結果進行對比分析。

2.1 主塔墩內力

根據橋塔墩內力計算結果，提取數據制成表格，如表1 所示。

表1 橋塔墩內力對比

根據上述結果可以得出：在地震動輸入方向為縱向+豎向時，組合式橋墩在主塔底、主墩頂和主墩底截面處的內力明顯小于空心式橋墩內力，其相應截面處彎矩減小幅度分別為25.5%、14.3%、17.4%，其相應截面處剪力減小幅度分別為19.6%、18.2%、12.1%；在地震動輸入方向為橫向+豎向時，組合式橋墩在主塔底、主墩頂和主墩底截面處的內力略微的小于空心式橋墩內力，其相應截面處彎矩減小幅度分別為2.5%、3.1%、2.5%，其相應截面處剪力減小幅度分別為1.6%、3.6%、2.1%。造成以上差異的原因是由于組合式橋墩在結構形式上發生了較大的改變，使其在等效的截面形式下顯著提升了墩身的抗彎剛度，使墩身的受力分布更加合理。

2.2 塔墩位移

提取兩種模型的塔頂、墩頂位移數據進行對比分析，如表2 所示。

表2 橋塔墩頂位移

由上表結果可知：橋梁在兩種方向地震動輸入情況下所得的塔頂和墩頂位移結果差值不大，最大差別發生在順向+豎向地震動方向時主塔頂的位移，差值比為9.6%，二者的位移誤差在實際工程中均屬于可接受范圍。

3 結束語

通過建立兩種形式的橋墩模型，并對二者內力和位移結果對比分析可得出以下結論：文章的組合式橋墩的內力在縱向+豎向地震作用下要遠小于空心式橋墩，但二者內力在橫向+豎向地震作用下差別不大，說明這種組合式橋墩抗震性能是要優于空心式橋墩的。二者在兩種方向的地震作用下其關鍵截面處位移變形差異不大，說明組合式橋墩在相同變形下其內力要優于空心墩。總而言之，組合式橋墩抗震性能要優于傳統的空心式橋墩，并且這種形式橋墩還能在保證結構抗震性能基礎上減少材料用量，降低工程造價。