山區多跨高墩連續剛構抗震約束體系研究

關鍵詞：多跨；高墩；連續剛構；抗震約束體系；有限元

中圖分類號：U448.23 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.047

文章編號：1673-4874（2025）03-0165-04

0 引言

伴隨著我國西部大開發的推進進程，山區公路的建設得到了迅猛的發展，連續剛構橋憑借施工便捷、跨越能力強、造價經濟等諸多優點，成為山區公路建設中跨越深溝峽谷地形的主要橋型。多跨高墩的連續剛構橋在山區公路中應用較為常見，但西部地區多處地震分布帶，這對多跨高墩連續剛構橋的設計提出了更高的抗震要求。甄寧1采用常用的橋梁地震響應基本分析方法，得到了大跨度高墩連續剛構橋抗震設計的關鍵在于橋梁下部結構的結論。孫立松[2]對大跨徑的高墩連續剛構橋抗震設計開展了深入研究。劉林等3運用大型有限元軟件SAP2000分析評價了高墩大跨連續剛構的整體抗震性能，為了解決地震作用下主梁縱向位移過大、橫向約束構件響應過大的問題，提出了在交界墩處采用拉索減震支座的方案。唐文樂4對高墩大跨連續剛構墩底隔震體系開展了初步研究，認為摩擦擺隔震支座是實現高墩大跨連續剛構墩底隔震比較可行的方式。饒建雄5基于截面分析法，得出了高墩大跨連續剛構橋動力反應最理想的墩身形式。盡管針對高墩連續剛構的抗震研究已具備一定基礎，但對于山區多跨高墩連續剛構橋的抗震約束體系研究以及相關工程實例仍較為缺乏。

本文以雅長特大橋作為工程背景，通過采用有限元軟件，對該橋的抗震約束體系開展研究，綜合評判適用于山區多跨高墩連續剛構的抗震約束體系，為以后同類設計提供有益參考。

主跨跨中處 3.6m ，其間按1.8次拋物線變化。箱梁頂板寬度為 12.5m ，底寬為 6.5m ，兩側翼板懸臂長度為3m 。箱梁頂板設置單向橫坡，底板水平。主墩采用變截面空心墩，橋墩墩頂截面寬 8.5m 高 8.5m ，下部按1：80的漸變率變化，壁厚 0.8～0.9m 過渡墩采用等截面空心矩形墩，矩形空心墩截面橫橋向 6.5m ，順橋向6m，縱橫橋向壁厚均為 0.6m 主橋基礎均采用群樁基礎。詳見圖1。

2動力計算模型

采用有限元軟件MidasCivil2021建立單幅主橋三維結構動力分析模型（如圖2所示），在此基礎上進行地震反應分析。計算模型中主橋、橋墩、基礎采用梁單元模擬，二期恒載以線質量的形式施加到梁單元上，主梁橫隔板、預應力齒塊以點質量的形式施加到梁單元上，交界墩橋豎向支座采用彈性連接模擬。

1工程概況

雅長特大橋為梧州一樂業公路樂業至望謨（樂業段）的一座關鍵控制性特大橋工程，大橋位于廣西樂業縣雅長鄉雅庭村芭蕉屯，橋梁全長2296. 5m_c

主橋為 （90+3×160+90）mPC 連續剛構橋，橋梁位于圓曲線上，分幅設置，單幅橋寬 12.5m 主梁采用060混凝土，三向預應力體系混凝土結構，截面形式為單箱單室直腹板箱梁，主墩墩頂支點處 10.5m ，邊跨直線段及三 /7

3地震動輸入

地震動輸入采用《梧州一樂業公路樂業至望謨（樂業段）雅長特大橋工程場地地震安全性評價報告》中提供的地震動時程。以50年超越概率 10% 的地表處地震動作為E1地震作用考慮，100年超越概率 5% 的地表處地震動作為E2地震作用考慮。橋梁所處場地的水平設計加速度反應譜如式（1）式（2所示：

S_max=2.5C_iC_sC_dA_max

式中： S_max 水平設計反應譜最大值；

T 一 反應譜周期；T₀ 反應譜直線上升段最大周期，取0.1S;T_g 業 反應譜特征周期；C_i 抗震重要性系數，取1；C_s 場地系數，取1；C_d 阻尼調整系數， 5% 阻尼比去1； 峰值加速度。

橋址處E1及E2地震作用的反應譜相關參數如表1所示，設計加速度反應譜曲線如圖3所示。

基于設計加速度反應譜，地震安評報告分別給出了3條E1和E2加速度時程曲線，限于篇幅，本文僅給出1條E1和E2的典型加速度時程曲線，見圖4和圖 $5 。$

4 分析工況

本文對山區多跨高墩連續剛構抗震約束體系進行研究，單幅橋梁在交界墩處設置兩個支座，支座縱向均設置為可滑動，分析工況以交界墩處支座橫向約束以及阻尼器設置進行劃分，具體包括：

工況1：橫向設置滑動 + 滑動支座組合。

工況2：橫向設置滑動 + 固定支座組合。

工況3：橫向設置固定 + 固定支座組合。

工況4：在工況1基礎上加設縱向阻尼器，阻尼器最大阻尼力為2000kN，阻尼系數為250KN·s/mm ，阻尼指數為0.3。

工況5：在工況2基礎上加設縱向阻尼器，阻尼器參數與工況4一致。

工況6：在工況3基礎上加設縱向阻尼器，阻尼器參數與工況4一致。

5 分析結果

5.1 動力特性分析

對橋梁結構的動力特性進行分析和認識是開展橋梁結構抗震性能分析的重要環節。采用上述動力分模型，對雅長特大橋進行了動力特性分析。表2列出了該橋主要振型及對應的周期和頻率。

由表2可知，雅長特大橋的基本周期為5.501s，地震安評報告中加速度反應譜采用的衰減關系最大周期值為10s，該衰減關系周期范圍滿足大橋抗震計算需要。圖6為大橋主梁一階振型圖。

5.2分析結果

采用非線性時程地震反應分析方法，對該橋動力模型進行了非線性時程分析。同時輸入三個方向（順橋向、橫橋向及豎向）的一組時程計算地震作用效應，采用3組地震動時程作為輸入，取3組計算結果的最大值作為地震反應結果。通過考察橋墩、基礎、支座受力以及梁端位移情況，對比分析不同抗震系統的受力特點，綜合評判適用于該項目多跨高墩連續剛構的抗震約束體系。

如圖7和圖8所示為不同約束體系（工況）下，大橋各墩的最不利截面內力對比情況。交界墩和中墩最不利截面均位于墩底，其中 22^?，27^? 為交界墩， 23^?～26^? 為中墩。

由圖7可知，工況1、工況2、工況3各墩縱向彎矩基本一致，工況4、工況5、工況6各墩縱向彎矩基本一致。橋墩縱向彎矩主要受縱向阻尼器影響，通過設置縱向阻尼器，可以降低各墩縱向彎矩。基于橋墩縱向彎矩衡量，各工況優劣排序為：工況4、工況5、工況 6gt; 工況1、工況2、工況3。

由圖8可知，橫向設置單固定支座和雙固定支座效果基本一致。另外，釋放交界墩橫向約束，可以減小交界墩橫向彎矩，而對于中墩橫向彎矩則存在增大和減小兩種情況。基于橋墩橫向彎矩衡量，各體系優劣排序為：工況1、工況 4gt; 工況2、工況3、工況5、工況6。

如圖9和圖10所示為不同約束體系（工況）下，大橋各墩基礎的內力對比情況。

由圖9可知，橫向設置單固定支座和雙固定支座效果基本一致，設置縱向阻尼器可以減小中墩的動軸力。總體而言，釋放橫向約束可以減小樁基動軸力。基于樁基動軸力衡量，各工況優劣排序為：工況 ? 工況5、工況6gt; 工況2、工況 3gt; 工況1。

由圖10可知，橫向設置單固定支座和雙固定支座效果基本一致。釋放橫向約束，可以減小交界墩樁基彎矩，而對于中墩樁基則存在增大和減小兩種情況，基于樁基彎矩衡量，各工況優劣不明顯。

如表3所示為不同約束體系（工況）下，大橋支座的橫向水平力對比情況。由表3可知，橫向設置單固定支座和雙固定支座效果支座水平力總和基本一致。

表4和表5為不同約束體系（工況）下，梁端位移對比情況。由表4可知，設置縱向阻尼器能夠有效減小結構縱向位移。

由表5可知，若釋放梁端橫向約束，梁端將產生較大橫向位移，造成主梁的損壞，不滿足橋梁抗震設防目標，因此工況1、工況4不宜采用。

6結語

本文以雅長特大橋為例，通過采用有限元軟件，對該橋的抗震約束體系開展研究，得出以下結論：

（1）交界墩處橫向設置單固定支座和雙固定支座的結構響應基本一致，考慮適應溫度作用下梁體橫向變形，宜采用橫向單個固定支座的設置方式。

（2）該項目為山區多跨高度連續剛構橋，由于橋墩較高且墩高不一，結構不對稱，因此不同工況下各墩地震響應無明顯規律。總體而言，通過設置縱向阻尼器和釋放交界墩橫向約束，可以減小結構地震響應。

（3）對于該項目，由于釋放交界墩橫向約束將引起較大的主梁橫向變形，造成主梁的損壞。綜合分析認為，工況5（橫向設置滑動 + 固定支座組合 + 縱向阻尼器）為適

應該項目的最優約束體系。

參考文獻

[1]甄寧.高墩大跨連續剛構橋地震響應分析研究[D].西安：長安大學，2017.

[2]孫立松.大跨度高墩連續剛構橋抗震設計研究[J].北方交通，2017（12）：10-12，15.

[3]劉林，李智宇，袁廣學.高墩大跨連續剛構的抗震措施研究[J].公路，2021，66（2）：174-177.

[4]唐文樂.高墩大跨連續剛構墩底隔震體系的初步研究[D].廣州：廣州大學，2023.

[5]饒建雄.高墩大跨連續剛構橋抗震設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.