大跨度連續剛構橋地震作用影響因素分析

劉 瑤，鄒德強，李偉東

（中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

鑒于連續剛構橋具有主梁連續、墩梁固結、無需體系轉換的特點，同時順橋向抗彎剛度和橫橋向抗扭剛度能很好地滿足較大跨徑的受力要求，因此連續剛構橋在山區應用非常廣泛。

我國西南地區為地震頻發區域，國內學者也做了很多研究，但主要在地震反應譜響應分析、減隔震分析、行波效應分析等方面，基于橋墩特性等因素對橋梁結構進行抗震設計比較的研究還不多。文章在前人研究的基礎上，分析大跨度連續剛構橋在不同橋墩高度及截面特性條件下對橫橋向、順橋向地震響應。

1 有限元分析模型

1.1 工程概況

某項目橋梁跨越山谷，大跨度連續剛構橋跨徑為（86+170+86）m，1#、2#橋墩高度為80m，采用雙肢薄壁空心截面，薄壁墩中心線間距為8m，橋墩外部尺寸為3m×8.5m，壁厚0.7m。橋墩基礎下方采用整體式承臺+樁基礎，橋面橫向寬度為12.25m。橋梁立面圖如圖1所示。

1.2 設計模型

采用Midas Civil 2019有限元軟件，建立考慮梁-墩-樁-土等構件的連續剛構橋模型，全橋主梁、橋墩與樁基均采用梁單元模擬，梁與墩采用剛性連接，樁基與土體采用土彈簧進行模擬，彈簧剛度根據m法進行計算取值。結構設計的有限元模型如圖2所示。

1.3 地震加速度

根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T B02-01—2008），項目所處位置抗震設防烈度為8度，水平向設計基本加速度峰值A=0.2g。

研究選擇反應譜的輸入方向為1倍順橋向與1倍橫橋向，文章計算地震輸入方式不考慮行波效應。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 考慮梁-墩-樁-土的有限元模型

2 墩高對橋梁受力影響

2.1 對主梁彎矩影響分析

假定1#、2#橋墩等高，不同高度橋墩對主梁彎矩的受力影響情況如圖3所示。

圖3 橋墩高度對主梁彎矩的影響

相同橋墩高度條件下，主梁最大彎矩發生在1#和2#橋墩靠邊跨側薄壁墩墩頂位置，數值約為內側薄壁墩位置的2倍。隨著橋墩高度的增加，主梁的墩頂彎矩顯著增加。橋墩高度分別為15m和100m時，主梁最大彎矩之比為1∶4.1。設計大跨度連續剛構橋高墩時，應對中墩靠邊跨位置處主梁采取加強措施，防止開裂。

2.2 對橋墩彎矩的影響

地震作用下，橋墩最大彎矩發生在墩頂，最小彎矩發生在墩底以上約1/2的位置。

不同橋墩高度（H=15m、30m、45m、65m、80m、100m）情況下，薄壁墩受到地震作用產生的最大彎矩和最小彎矩如圖4所示。

圖4 墩高對橋墩彎矩的影響

由圖4可知，橋墩彎矩隨橋墩高度的增大而增加；橋墩高度H為100m與15m時，橋墩彎矩之比為4.2∶1。這主要是因為墩梁固結、下部樁基與橋墩固結，橋墩上下均為固結狀態，橋墩越高，地震水平作用荷載越大，導致橋墩兩側彎矩加大。

2.3 對橋墩剪力的影響

據計算，H=15m、30m、45m、65m、80m、100m時，橋墩高度對應墩底剪力分別為324.4kN、296.3kN、252.8kN、250kN、248.6kN、252kN。這說明橋墩高度在45m以下時，墩底剪力隨著墩高增加而減小；當增加至45m以上時，墩底剪力基本趨于平穩，不再隨墩高變化而變化。

3 橋墩截面形式對橋梁受力影響

以80m高度橋墩為例，分別對空心矩形墩（壁厚0.7m）、實心矩形墩、圓形實心墩、環形墩（壁厚0.7m）等截面形式在地震作用下的響應進行計算，主要分析其對主梁彎矩、橋墩彎矩及橋墩剪力的影響。

3.1 對主梁、橋墩彎矩的影響

不同截面形式（圓形截面面積與實心矩形截面面積）墩頂位置橋墩、主梁彎矩情況如圖5所示。

圖5 橋墩截面形式對主梁及橋墩彎矩的影響

由圖5可知，矩形和圓形實心截面橋墩墩頂最大彎矩分別為8627.4kN·m、9122kN·m，前者比后者小5.4%；矩形和圓形空心截面橋墩墩頂最大彎矩分別為7515kN·m、7250kN·m，前者比后者大3.6%。

相對于空心墩，實心橋墩慣性矩較大，故能有效減小墩頂彎矩，但墩梁固結則導致地震作用下主梁彎矩增加。空心矩形截面與環形截面墩頂最大彎矩比值為1∶1.04，主梁最大彎矩比值為1.04∶1，兩者對橋梁彎矩影響不大。因此，考慮矩形截面慣性矩更大，對結構受力更有利。

3.2 對墩頂剪力的影響

地震作用產生較大水平荷載，從而對橋墩產生較大的剪力作用。四種截面形式對橋墩剪力影響如圖6所示。

圖6 不同截面形式橋墩剪力的影響

由圖6可知，從墩頂至墩底，剪力從上往下逐漸遞增；地震作用下，圓形實心墩、環形空心墩、矩形實心墩和矩形空心墩墩底最大剪力分別為316.24kN、251.26kN、290.04kN、251.63kN；實心墩剪力比空心墩大約20%；環形與矩形空心截面剪力基本一致；矩形實心與圓形實心截面橋墩剪力相差較小。

4 結論

（1）主梁及橋墩彎矩隨著橋墩的高度增加而加大；當橋墩高度為100m和15m時，地震作用下橋墩最大彎矩之比為4.2∶1，主梁最大彎矩之比為4.1∶1。

（2）1#薄壁墩靠邊跨側位置處主梁彎矩為靠中跨側彎矩的2倍，設計過程中需進行局部強化處理。

（3）墩底剪力隨著橋墩增加而減小，當增至45m及以上時，基本趨于平穩。

（4）從抗震角度分析，實心橋墩能有效減小墩頂彎矩，但加大了主梁墩頂彎矩，增加了主梁開裂風險。

（5）矩形空心截面與圓形空心截面橋墩受到地震作用時，橋梁地震響應基本一致，但同等面積矩形截面慣性矩更大，對結構抗彎更有利。