橋墩選型對連續剛構橋地震響應的影響

李強強 張 恒

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

連續剛構橋是將墩身與主梁固結成一體的橋梁。由于墩身與主梁形成剛架，承受上部結構荷載時，主梁受力合理。連續剛構橋一般位于深山峽谷之中，且跨越能力強，需要一定的抗震能力，而橋梁結構在地震中的震害主要發生在橋梁下部結構，有不少學者對此作了一些研究。寧丹等運用反應譜法分析了墩身高差對大跨度連續剛構橋的地震響應的影響；盧澤睿等研究了不同地震激勵方向對雙薄壁連續剛構橋抗震性能的影響；何其宗等研究了同時考慮凍水壓力和樁—土效應時的地震響應；張澤宇等運用大型有限元分析軟件Midas Civil分析了墩高對大跨度連續剛構橋地震響應的影響；臺玉杰等采用有限元分析法研究了在地震作用下不同斜腿夾角的連續剛構橋的結構響應規律；李寧等采用地震反應譜法分析了在地震作用下連續剛構橋墩身傾角對結構位移及內力的影響規律；張清旭等采用有限元分析法，探究了橫系梁個數對高墩大跨連續剛構橋自振特性的影響；唐楊通過改變單薄壁墩的截面形式和截面尺寸來研究了橋梁地震響應[3]。綜上所述，雖然業內學者對高墩大跨連續剛構橋的研究已取得豐碩的成果，但關于橋梁墩身截面尺寸對于連續剛構橋的地震響應的影響研究成果較少。因此，本文基于陜西某連續剛構公路橋，分別控制墩截面縱向剛度和橫向剛度，對3種墩截面形式的連續剛構橋進行自振特性分析以及地震響應分析。

1 工程概況

本文基于陜西某連續剛構公路橋建立模型進行分析，主橋上部結構為(65+120+65)m預應力混凝土連續剛構，由單箱單室箱形斷面組成。箱梁根部高度7.2 m，跨中梁高3.0 m，其間梁高按1.8次拋物線變化。箱梁頂板寬12.90 m，底板寬7.0 m，頂板厚0.30 m，底板厚由跨中 0.32 m按1.8次拋物線變化至根部0.90 m，腹板厚跨中段為0.50 m、根部變為0.70 m，漸變段長7.0 m。下部結構采用矩形空心墩，6號墩高為65 m，7號墩高為84 m，主橋上部結構采用C50混凝土，墩身采用C30混凝土，該橋的結構布置圖如圖1所示。

為了研究不同墩型對連續剛構橋的自振特性與地震響應，擬采用以下墩型(如圖2所示)。

其中，工況一為原橋截面，工況二，三分別為與原橋墩截面縱向剛度和橫向剛度相同下的雙肢墩截面，為簡便慣性矩計算時忽略倒角，各墩參數如表1所示。

表1 不同墩下的截面參數

2 計算模型

采用Midas Civil有限元分析軟件建立矩形空心墩和雙肢薄壁空心墩的整體模型(如圖3所示)，X方向為順橋向，Y方向為橫橋向，為對比不同橋墩響應，保持橋梁上部結構不變，由于橋梁所處場地較好，模型不考慮樁土作用即采用墩底固結，左右邊墩采用一般支撐模擬，主梁與墩頂采用剛性連接。

由《公路橋梁抗震設計細則》可知橋梁所處場地為Ⅱ類，橋梁抗震設防類別為B類，地震動峰值加速度為0.15g，抗震設防等級為8度。為保證地震動隨機性，時程分析采用針對該橋場地的peer的3條地震動輸入，并取計算結果最大值來分析，地震波沿著順橋向和橫橋向輸入，不考慮行波效應，為便于比較不同橋墩響應，僅對彈性結果進行比較。時程函數之一如圖4所示。

3 自振特性分析

結構自振頻率計算是結構抗震計算的基礎，結構自振頻率取決于結構的質量與結構的剛度，本文使用多重Ritz向量法對不同工況下的連續剛構橋前十階自振頻率進行計算，計算結果如表2所示。

從表2中可以看出：

1)橋墩類型不同會影響結構動力特性，三種工況中，矩形薄壁墩基頻最高，而雙肢墩基頻低，自振周期長，說明雙肢墩有效降低結構剛度，延長了結構的自振周期，于抗震有利。

2)連續剛構橋一般受墩梁固結的影響，自振振型中墩柱橫彎的同時會伴隨主梁的橫彎，墩柱縱彎的同時均通常會伴隨有主梁豎向彎曲。

3)橋梁的前十階振型中，前兩階振型分別為縱彎和橫彎，后八階振型以豎彎和橫彎為主。所以此橋主振型為豎彎和橫彎，因此此橋設計時還是要適當增加橋墩橫向剛度。

表2 不同工況下連續剛構橋自振特性對比

4 橋梁地震反映分析

選擇墩頂墩底和主梁跨中彎矩以及墩頂位移作為研究對象，為便于比較，雙肢矩形空心墩位移取雙肢平均值，彎矩取雙肢之和，計算結果如表3所示。

表3 不同墩截面內力分析

從表3計算結果中可以看出：

1)雙肢矩形空心墩的墩頂橫向位移和縱向位移都大于矩形薄壁墩。

2)不論是保持縱向剛度相同還是橫向剛度相同，采用雙肢薄壁墩都可以明顯減少墩頂彎矩和墩底彎矩，雙肢對墩頂有“削峰”作用，有利于主梁受力。

3)無論是單肢墩還是雙肢墩，對主梁跨中彎矩影響不大。

5 結語

1)雙肢墩頻率比單肢墩頻率低，能夠有效延長結構響應周期，使結構剛度能充分發揮其作用，降低結構響應。

2)橋墩剛度對橋梁受力有明顯影響，橋墩選型時應綜合考慮橋墩剛度，采用雙肢墩可以減小墩頂彎矩，但是位移會稍稍增大，于本橋抗震而言，還是建議采用雙肢薄壁墩。

3)本橋的兩個橋墩不是等高，橋墩之間存在著一定的剛度差，剛度差的最優取值值得探討。