深水高墩大跨連續剛構橋梁墩型設計探討

徐章潔

（中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

連續剛構橋型由于其跨越能力大，施工方便，后期養護費用少，在西部山區公路建設中是較為主流的橋型。由于西部山區面臨嚴峻的地震風險，特別是在水電站庫區特殊環境下，水下橋墩的震損監測和修復十分困難，因此連續剛構橋梁在水庫環境下的墩型選擇和抗震設計越來越受到重視。

連續剛構橋梁的上部結構通常采用變截面預應力空心箱型梁，橋墩一般采用單肢或雙肢薄壁箱型截面[1]。高墩的設計關鍵包括墩身縱橫向剛度、墩頂彈性水平位移、墩身穩定性等[2]，在主墩超過100m 時，除考慮主墩自身的強度剛度滿足要求外，還需考慮主墩墩型對交界墩的影響。本文以某水電站庫區深水高墩大跨連續剛構橋梁為背景，對比分析矩形空心墩與一種新型格構式雙肢薄壁墩在考慮動水壓力條件下的地震響應分析對比，探討兩種不同墩型對交界墩地震響應的影響，供同類橋型設計作為參考。

2 工程概況

以某水電站庫區內特大橋為例，其主橋上部結構設計為（120+220+120）m 預應力混凝土連續剛構橋，橋梁寬度采用凈-11.0m（行車道）+2×0.75m(人行道)+2×0.25m（護欄），總寬13.0m；設計荷載需同時滿足公路-Ⅰ級及汽-60 級。

該橋主梁采用三向預應力混凝土結構，箱梁采用單箱單室截面。箱頂板寬13m，底板寬7m。箱梁根部梁高14.5m，中跨跨中及現澆合龍段梁高4.5m，箱梁底板下緣按1.8 次拋物線變化。

交界墩采用單箱單室空心墩，墩高分別為81m 及88m，縱橋向墩頂寬4m，墩底寬分別為6.025m 及6.2m，按1：80 放坡；橫橋向墩頂寬7.2m，墩底寬分別為9.225m 及9.4m，按1：80 放坡；墩壁厚60～80cm，墩底設2.5m 高的實心段。

本橋主墩墩高達到172m，其交界墩也均超過80m 高度，在水電站庫區正常蓄水位狀態下，主墩淹沒水深達到165m，交界墩淹沒水深達到67m，因此，地震工況下，水體對橋梁結構的動力特性會產生顯著的影響。目前工程上一般采用附加橋墩一定范圍的水體質量來體現這種墩和水在運動情況下的耦合作用。本橋設計時，采用賴偉等[3]提出的矩形截面柱體單位高度上動水附加質量的等效公式來計算附加質量的數值。

3 高墩結構型式的選擇

為探討主墩墩型設計對交界墩地震響應的影響，交界墩采用相同的矩形空心薄壁墩，而主墩分別采用：a.單箱單室矩形空心薄壁墩；b. 設置橫向聯系的新型格構式雙肢薄壁墩，以進行對比分析。

單箱單室矩形空心薄壁墩設計構造尺寸為：縱橋向墩頂寬11m，墩底寬13.04m，上部70m 范圍內寬度不變，下部按1：100 放坡；橫橋向墩頂寬7m，墩底寬12.734m，按1：60 放坡；墩壁厚70～90cm，墩底設3.0m 高的實心段。

格構式雙肢薄壁墩是一種新型橋墩形式，是在傳統雙薄壁橋墩基礎上，采用彼此交叉的鋼管作為相鄰橋墩的橫向連接，從而形成的一種復合式橋墩。格構式橋墩由于采用輕質高強的鋼結構，較傳統空心矩形橋墩混凝土用量小；相鄰兩薄壁橋墩之間由于采用鋼結構作為橫向連接，較雙肢薄壁橋墩具有較強的縱橋向剛度，有效控制地震作用下主梁的縱向位移。為便于對比，在保證豎向剛度（橫截面積）、無水狀態下自振周期與矩形空心薄壁墩相近的前提下，擬定格構式雙肢薄壁墩的構造尺寸為：單肢縱橋向寬度3.2m，橫橋向寬度為12.6m，兩肢縱橋向中心間距為8m，橫向連接采用Q355 鋼材，鋼管直徑0.35m，壁厚40mm，其有限元模型如圖2 所示。

圖1 某大橋總體布置圖

圖2 格構式雙肢薄壁墩有限元模型

圖3 格構式雙肢薄壁墩局部細節

4 矩形空心墩與格構式橋墩對交界墩地震響應的對比分析

根據以上構造尺寸，分別建立兩種不同主墩墩型的全橋SAP2000 三維有限元模型，以順橋向為x 軸，橫橋向為y 軸，豎向為z 軸。其中主梁、橋墩均采用三維梁單元模擬，其中主梁采用單梁式力學模型。

采用動水附加質量方法考慮地震與動水的相互作用，如圖4 所示，對于格構式橋墩，當橋墩沿縱橋向振動時，橋墩迎水寬度D 與矩形橋墩相當；而當橋墩沿橫橋向振動時，由于雙薄壁墩中間橫向連接系截面尺寸較小，可以認為對水無明顯阻擋，此時，相比于矩形橋墩，雙薄壁墩的迎水（阻水）寬度大大降低，從而顯著減小動水附加質量，有助于減小橋墩在地震作用下的動力響應。

圖4 迎水寬度D 對比（橋墩斷面俯視圖）

選取三條汶川地震波（分別計為：MXNX、MZQP、SFBJ）作為地震輸入，并將三條地震波的的峰值加速度調整至0.17g，計算主橋在“縱向+豎向”，“橫向+豎向”地震作用下的地震響應。由于通常情況下，E2 地震作用下的地震響應起控制作用，因此本文僅列出5#、8#交界墩關鍵截面在E2 地震作用下的內力對比結果，其關鍵截面的選取如表1 所示。

表1 橋都控制截面位置表

表2 橋墩關鍵截面地震內力響應（輸入-E2-MXNX）

表3 橋墩關鍵截面地震內力響應（輸入-E2- MZQP）

圖5 橋墩關鍵截面軸力響應對比（MXNX）

圖6 橋墩關鍵截面彎矩響應對比（MXNX）

圖7 橋墩關鍵截面軸力響應對比（MZQP）

圖8 橋墩關鍵截面彎矩響應對比（MZQP）

圖9 橋墩關鍵截面軸力響應對比（SFBJ）

從表2～表4，圖5～圖10 的對比可知，相比于矩形空心薄壁墩墩型，在縱橋向地震作用下，采用格構式雙肢薄壁墩的深水連續剛構橋的交界墩，其彎矩響應略有增大；而在橫橋向地震作用下，交界墩的彎矩響應有一定減小。這是因為格構式橋墩在橫向振動時，雙薄壁墩中間連接系對水無明顯阻擋，橋墩斷面的阻水寬度較空心矩形明顯減小，從而減小動水附加質量，最終減小橋梁在橫橋向地震作用下的動力響應。

表4 橋墩關鍵截面地震內力響應（輸入-E2- SFBJ）

圖10 橋墩關鍵截面彎矩響應對比（SFBJ）

5 結論

相對比單箱單室矩形空心墩，新型格構式雙肢薄壁墩在橫橋向地震作用下，能使交界墩的地震彎矩相應減小，此外，格構式雙肢薄壁墩具有如下優點：混凝土用量小；鋼結構連接系在地震作用下可以通過屈服、變形方式耗散能量且易于更換。因此，格構式雙肢薄壁墩型具有一定的抗震性能優勢，可為深水連續剛構橋梁橋墩型式的抗震設計提供一定的借鑒參考。