系梁設置對雙肢薄壁墩抗震性能影響的探討

黃超

摘 要：本文以某高速公路高墩連續剛構橋為工程背景，通過建模分析了主橋雙薄壁墩在系梁的不同設置情況下結構的地震響應規律，總結了相關經驗，給出此類橋梁結構主墩合理的系梁布置方式和抗震設計建議。

關鍵詞：曲線連續剛構橋;系梁;抗震設計

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A

0 引言

近年來，隨著國內基礎建設行業的迅速發展和規模不斷擴大，橋梁建設行業在設計方面也有著豐富的經驗積累，且我國地域遼闊，尤其是西北、西南片區地形地勢非常復雜，在高速公路跨越大峽谷、深溝時時常需布設跨徑較大的連續剛構橋跨越，這也使橋梁的在高墩大跨方面發展迅猛。目前我們在進行這種高墩大跨連續剛構橋的主墩設計時采用雙肢薄壁墩形式的情況較為常見，且此類橋墩往往墩高超過40 m，屬于非常規橋墩結構。然而我們橋梁設計人員在進行對此類橋的抗震設計時常常側重點在主墩的一般構造、配筋及延性設計方面，對雙肢薄壁墩橋墩系梁的合理設計往往容易忽略，且現行規范僅僅是對墩高低于40 m的橋梁的橋墩抗震設計進行了相應要求，對于這種非規則高墩的抗震設計也未給出明確要求，如類似這種雙肢薄壁墩的系梁設置情況，因此本文就此方面展開研究，并總結了相關經驗，給出此類橋梁結構主墩合理的系梁布置方式和抗震設計建議，希望能夠給橋梁設計人員以后進行類似橋梁設計時以參考。

1 工程概況

本文所計算橋梁為某云南省高速公路上為跨越山間大溝而布設的連續剛構橋，主橋部分線位位于圓曲線上（曲線半徑1 050 m），其主橋部分跨徑組合為（50+90+50）m。主梁截面為單箱雙室直腹板截面，梁高及底板厚度則采用常規的二次拋物線變化。主梁橋面寬1 275 cm，支點處梁高為550 cm，合攏段梁高為260 cm。主橋雙肢薄壁墩的兩肢之間布置系梁，墩高分別為75 m和66.5 m。橋位所處地區的地震基本烈度為7度，本項目此橋按8度設防。

2 有限元分析

本橋采用midas civil進行建模計算，樁基礎與樁周土之間的邊界條件在程序中通過土彈簧進行模擬，主墩與箱梁0號塊之間的模擬采用程序中的彈性連接（剛性）。

樁基礎由于受到下部結構傳遞的荷載作用會有側向位移的趨勢，從而對周圍土體有一個側向擠壓力，同時土體則對樁基產生反向抗力，此處分析時將每層土體假設為理想彈性體，即受外部作用后其形變是線性的。這里我們根據E.Winkler對土抗力與其壓縮形變量成正比的假設來計算各土層的剛度，則每個土層水平抗力滿足下式：

3 系梁布置影響

本模型分別建立八種模型進行分析，即：無系梁、1道系梁、2道系梁、3道系梁，系梁均沿橋墩均勻布置，每種情況按兩種邊界條件考慮：墩底固結和樁-土之間土彈簧。

3.1 自振特性分析

結構前幾階振型是結構在受外部作用下較為容易出現的基本振型，它體現結構在地震作用下反應基本情況，此處給出本橋特征值分析的前8階動力特性結果進行分析，主橋模型在不同曲率半徑和邊界條件下的動力特性分析結果情況如表1和表2所示。

從表1～2可以看出：

（1）從上表前8階振型數據可以看出，系梁布置變化對結構的振動型式有一定影響。對于墩底固結模型，有無布置系梁對高階（五階之后）振型影響較大，但布置系梁后振型對系梁布置道數并不敏感，其振型基本相近;對于樁土作用模型，不設置系梁和設置1道系梁結構的振型基本相近，設置2道系梁和設置3道系梁結構的振型相近。

（2）從不布置柱間系梁到布置3道系梁過程中，對于墩底固結模型，其一階振動頻率從0.262 Hz增加到0.5 Hz;對于樁土作用模型，其一階縱向振動頻率由0.252 Hz增加到0.388 Hz，說明系梁的設置增加了橋墩的剛度。

（3）與墩底固結模型相比，考慮樁土作用后，各模型的基頻均有所減小。

3.2 地震響應分析

3.2.1 縱向地震響應分析

在縱向激勵下，不同系梁設置的情況引起橋墩地震響應的內力和位移的變化如圖1～圖4。

根據以上內力、位移計算結果，可分析得以下結果：

（1）對于墩底縱向彎矩，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩底縱向彎矩增加了14.4%。考慮樁土作用時，墩底縱向彎矩隨系梁的增設而增加了6.5%。

（2）對于墩底剪力，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩底剪力增加了30.2%。而考慮樁土作用后，隨系梁設置道數的增加墩底縱向剪力增加了33.7%。

（3）對于墩底軸力，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩底軸力增加了45%?？紤]樁-土相互作用后，墩底軸力隨系梁設置道數的增加而增加了64.5%，軸力變化較為顯著。

（4）對于墩底位移，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩頂縱向位移減小了47.2%。考慮樁土作用后，墩頂的縱向位移值隨系梁的增設而增加了29.3%。

由以上橋墩內力及位移計算結果可以看出：對于兩種邊界條件下的計算模型，橋墩在縱向地震下的響應對系梁的設置道數較為敏感，隨著系梁的設置數量的增加，橋墩的彎矩、剪力及軸力均有不同程度的增加，而位移有所變小。

3.2.2 橫向地震響應分析

在橫向激勵下，不同系梁設置的情況引起橋墩地震響應的內力和位移的變化如圖5～圖8：

根據以上內力、位移計算結果，可分析得以下結果：

（1）對于墩底橫向彎矩，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩底橫向彎矩隨之增加了3.1%。考慮樁-土相互作用后，墩底橫向彎矩隨系梁設置道數的增加而增加了3.5%，變化并不明顯。

（2）對墩底剪力來說，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩底剪力增加了9.5%。在考慮樁-土相互作用后，隨著系梁設置道數的增加墩底剪力增加了9.7%。

（3）對墩底軸力來說，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩底軸力增加了42.3%。在考慮樁-土相互作用后，隨著系梁設置道數的增加而墩底軸力增加35.1%，軸力變化較為明顯。

（4）對墩底位移來說，墩底固結時，在系梁設置道數增加情況下墩頂的橫橋向位移減小了1.26%。考慮樁-土相互作用后，墩頂的橫橋向位移隨著系梁設置道數的減小了1.8%，位移變化很小，說明系梁的設置對橫向剛度影響較小。

綜合上述分析結果可以得出：對于基礎邊界條件為墩底固結和考慮樁土之間相互作用的兩種情形，沿橋墩均布的系梁數量變化對橋墩在縱向地震作用下的內力、位移結果影響較大，即隨著柱間均布系梁數量的增加，主墩的內力（彎矩、剪力及軸力）增大較為明顯，而墩頂位移有所降低;在橫橋向地震作用下，考慮墩底固結和考慮樁-土相互作用兩種情況時，隨著設置系梁數量的增加，橋墩的內力和位移前后變化均較小，內力最大增幅也未超過10%，僅軸力變化較大，如墩底固結時，隨著系梁設置道數的增加墩底軸力的增幅最大達42.3%。

4 結論

通過結構動力特性分析及地震荷載作用下墩底內力和墩頂位移的計算可知：

（1）隨著這種雙支薄壁墩的主墩系梁設置道數的增加，結構自振頻率增大，這表明系梁的增加會增加結構的整體剛度，且橋梁剛度的增加對高墩高階振型的影響較為明顯。根據主墩內力及位移計算結果發現，主墩在縱向橋地震激勵下的內力增加較為明顯，橫橋向除軸力外變化并不明顯，說明系梁設置的增加對結構的縱向剛度的增加較為明顯，對其橫向剛度增加的貢獻有限，對軸力影響較大。

（2）鑒于主墩系梁設置的數量對縱向地震下主墩內力影響較大，建議我們在進行橋墩抗震設計時對于系梁的布置應重點關注縱向地震的橋墩內力變化，綜合考慮系梁設置對結構的有利和不利影響，采用合適的系梁設置數量、設置位置及系梁剛度，充分利用系梁的有利影響，降低其對結構的不利影響，如橋墩抗剪、抗彎等，在滿足橋墩抗震要求情況下，可適當減少系梁設置。

參考文獻：

[1]蘭燕.橋墩造型及其抗震性能研究[D].西安：長安大學，2005.

[2]宋一凡.公路橋梁動力學[M].北京：人民交通出版社，2000.