山區(qū)多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)抗震約束體系研究

關(guān)鍵詞：多跨；高墩；連續(xù)剛構(gòu)；抗震約束體系；有限元

中圖分類號(hào)：U448.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.03.047

文章編號(hào)：1673-4874（2025）03-0165-04

0 引言

伴隨著我國(guó)西部大開發(fā)的推進(jìn)進(jìn)程，山區(qū)公路的建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展，連續(xù)剛構(gòu)橋憑借施工便捷、跨越能力強(qiáng)、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為山區(qū)公路建設(shè)中跨越深溝峽谷地形的主要橋型。多跨高墩的連續(xù)剛構(gòu)橋在山區(qū)公路中應(yīng)用較為常見，但西部地區(qū)多處地震分布帶，這對(duì)多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)提出了更高的抗震要求。甄寧1采用常用的橋梁地震響應(yīng)基本分析方法，得到了大跨度高墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于橋梁下部結(jié)構(gòu)的結(jié)論。孫立松[2]對(duì)大跨徑的高墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗震設(shè)計(jì)開展了深入研究。劉林等3運(yùn)用大型有限元軟件SAP2000分析評(píng)價(jià)了高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)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(gòu)件響應(yīng)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(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)墩底隔震體系開展了初步研究，認(rèn)為摩擦擺隔震支座是實(shí)現(xiàn)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)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(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力反應(yīng)最理想的墩身形式。盡管針對(duì)高墩連續(xù)剛構(gòu)的抗震研究已具備一定基礎(chǔ)，但對(duì)于山區(qū)多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震約束體系研究以及相關(guān)工程實(shí)例仍較為缺乏。

本文以雅長(zhǎng)特大橋作為工程背景，通過采用有限元軟件，對(duì)該橋的抗震約束體系開展研究，綜合評(píng)判適用于山區(qū)多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)的抗震約束體系，為以后同類設(shè)計(jì)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(cè)翼板懸臂長(zhǎng)度為3m 。箱梁頂板設(shè)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(chǔ)均采用群樁基礎(chǔ)。詳見圖1。

2動(dòng)力計(jì)算模型

采用有限元軟件MidasCivil2021建立單幅主橋三維結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型（如圖2所示），在此基礎(chǔ)上進(jìn)行地震反應(yīng)分析。計(jì)算模型中主橋、橋墩、基礎(chǔ)采用梁?jiǎn)卧M，二期恒載以線質(zhì)量的形式施加到梁?jiǎn)卧希髁簷M隔板、預(yù)應(yīng)力齒塊以點(diǎn)質(zhì)量的形式施加到梁?jiǎn)卧希唤缍諛蜇Q向支座采用彈性連接模擬。

1工程概況

雅長(zhǎng)特大橋?yàn)槲嘀菀粯窐I(yè)公路樂業(yè)至望謨（樂業(yè)段）的一座關(guān)鍵控制性特大橋工程，大橋位于廣西樂業(yè)縣雅長(zhǎng)鄉(xiāng)雅庭村芭蕉屯，橋梁全長(zhǎng)2296. 5m_c

主橋?yàn)?（90+3×160+90）mPC 連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁位于圓曲線上，分幅設(shè)置，單幅橋?qū)?12.5m 主梁采用060混凝土，三向預(yù)應(yīng)力體系混凝土結(jié)構(gòu)，截面形式為單箱單室直腹板箱梁，主墩墩頂支點(diǎn)處 10.5m ，邊跨直線段及三 /7

3地震動(dòng)輸入

地震動(dòng)輸入采用《梧州一樂業(yè)公路樂業(yè)至望謨（樂業(yè)段）雅長(zhǎng)特大橋工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告》中提供的地震動(dòng)時(shí)程。以50年超越概率 10% 的地表處地震動(dòng)作為E1地震作用考慮，100年超越概率 5% 的地表處地震動(dòng)作為E2地震作用考慮。橋梁所處場(chǎng)地的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如式（1）式（2所示：

S_max=2.5C_iC_sC_dA_max

式中： S_max 水平設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值；

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

橋址處E1及E2地震作用的反應(yīng)譜相關(guān)參數(shù)如表1所示，設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜曲線如圖3所示。

基于設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜，地震安評(píng)報(bào)告分別給出了3條E1和E2加速度時(shí)程曲線，限于篇幅，本文僅給出1條E1和E2的典型加速度時(shí)程曲線，見圖4和圖 $5 。$

4 分析工況

本文對(duì)山區(qū)多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)抗震約束體系進(jìn)行研究，單幅橋梁在交界墩處設(shè)置兩個(gè)支座，支座縱向均設(shè)置為可滑動(dòng)，分析工況以交界墩處支座橫向約束以及阻尼器設(shè)置進(jìn)行劃分，具體包括：

工況1：橫向設(shè)置滑動(dòng) + 滑動(dòng)支座組合。

工況2：橫向設(shè)置滑動(dòng) + 固定支座組合。

工況3：橫向設(shè)置固定 + 固定支座組合。

工況4：在工況1基礎(chǔ)上加設(shè)縱向阻尼器，阻尼器最大阻尼力為2000kN，阻尼系數(shù)為250KN·s/mm ，阻尼指數(shù)為0.3。

工況5：在工況2基礎(chǔ)上加設(shè)縱向阻尼器，阻尼器參數(shù)與工況4一致。

工況6：在工況3基礎(chǔ)上加設(shè)縱向阻尼器，阻尼器參數(shù)與工況4一致。

5 分析結(jié)果

5.1 動(dòng)力特性分析

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析和認(rèn)識(shí)是開展橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析的重要環(huán)節(jié)。采用上述動(dòng)力分模型，對(duì)雅長(zhǎng)特大橋進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。表2列出了該橋主要振型及對(duì)應(yīng)的周期和頻率。

由表2可知，雅長(zhǎng)特大橋的基本周期為5.501s，地震安評(píng)報(bào)告中加速度反應(yīng)譜采用的衰減關(guān)系最大周期值為10s，該衰減關(guān)系周期范圍滿足大橋抗震計(jì)算需要。圖6為大橋主梁一階振型圖。

5.2分析結(jié)果

采用非線性時(shí)程地震反應(yīng)分析方法，對(duì)該橋動(dòng)力模型進(jìn)行了非線性時(shí)程分析。同時(shí)輸入三個(gè)方向（順橋向、橫橋向及豎向）的一組時(shí)程計(jì)算地震作用效應(yīng)，采用3組地震動(dòng)時(shí)程作為輸入，取3組計(jì)算結(jié)果的最大值作為地震反應(yīng)結(jié)果。通過考察橋墩、基礎(chǔ)、支座受力以及梁端位移情況，對(duì)比分析不同抗震系統(tǒng)的受力特點(diǎn)，綜合評(píng)判適用于該項(xiàng)目多跨高墩連續(xù)剛構(gòu)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(nèi)力對(duì)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(shè)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(yōu)劣排序?yàn)椋汗r4、工況5、工況 6gt; 工況1、工況2、工況3。

由圖8可知，橫向設(shè)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(duì)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(yōu)劣排序?yàn)椋汗r1、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(chǔ)的內(nèi)力對(duì)比情況。

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

由圖10可知，橫向設(shè)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(duì)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(yōu)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(duì)比情況。由表3可知，橫向設(shè)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(duì)比情況。由表4可知，設(shè)置縱向阻尼器能夠有效減小結(jié)構(gòu)縱向位移。

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

6結(jié)語(yǔ)

本文以雅長(zhǎng)特大橋?yàn)槔ㄟ^采用有限元軟件，對(duì)該橋的抗震約束體系開展研究，得出以下結(jié)論：

（1）交界墩處橫向設(shè)置單固定支座和雙固定支座的結(jié)構(gòu)響應(yīng)基本一致，考慮適應(yīng)溫度作用下梁體橫向變形，宜采用橫向單個(gè)固定支座的設(shè)置方式。

（2）該項(xiàng)目為山區(qū)多跨高度連續(xù)剛構(gòu)橋，由于橋墩較高且墩高不一，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，因此不同工況下各墩地震響應(yīng)無(wú)明顯規(guī)律。總體而言，通過設(shè)置縱向阻尼器和釋放交界墩橫向約束，可以減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

（3）對(duì)于該項(xiàng)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(rèn)為，工況5（橫向設(shè)置滑動(dòng) + 固定支座組合 + 縱向阻尼器）為適

應(yīng)該項(xiàng)目的最優(yōu)約束體系。

參考文獻(xiàn)

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