大跨徑連續(xù)剛構(gòu)單雙肢橋墩形式動(dòng)力性能研究

杭海俠 宋彥平 湯兆新

0 引言

從1988年由我國(guó)設(shè)計(jì)的第一座主跨180 m的大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋——廣東洛溪大橋建成通車(chē)后,連續(xù)剛構(gòu)的突出優(yōu)點(diǎn)使得這種橋型在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。隨著橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中計(jì)算技術(shù)的廣泛應(yīng)用,加之大跨度橋梁施工水平的不斷提高,特別是橋梁懸臂施工技術(shù)的改進(jìn)和成熟,對(duì)混凝土收縮、徐變、溫度變化、預(yù)應(yīng)力作用、墩臺(tái)不均勻沉降等引起的附加內(nèi)力研究的逐漸深入和問(wèn)題的不斷解決,大跨度的連續(xù)剛構(gòu)橋已成為主要的橋梁結(jié)構(gòu)形式。研究連續(xù)剛構(gòu)橋不同結(jié)構(gòu)形式橋墩具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

以某大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行研究,主跨為90 m+160 m+90 m連續(xù)剛構(gòu)橋,主梁采用單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。全橋總長(zhǎng)346 m。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。主梁采用單箱單室直腹板截面,箱梁頂板寬12 m,兩懸臂板長(zhǎng)2.7 m,箱梁底寬6.6 m,頂面不設(shè)橫坡。根部梁高9.8 m,為中跨跨度的1/16.94,跨中梁高3.8 m,為中跨跨度的1/43.68;主梁高度按1.8次拋物線變化,懸臂端部板厚0.18 m。主墩采用C50混凝土,單肢箱形結(jié)構(gòu),墩頂縱橋向?qū)? m,橫橋向?qū)?.6 m,1號(hào)墩縱、橫橋向均按100∶1放坡,2號(hào)墩縱、橫橋向均按80∶1放坡,壁厚均為0.9 m。

2 橋墩形式選擇

從20世紀(jì)80年代以來(lái)連續(xù)剛構(gòu)橋的發(fā)展情況來(lái)看,主墩一般考慮設(shè)計(jì)成柔性墩,由于溫度變化、混凝土收縮、徐變及制動(dòng)力,使橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大內(nèi)力和變形位移,因此橋墩除了滿足支撐上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、活載和穩(wěn)定的要求之外,還要有一定的柔度,設(shè)計(jì)中一般利用柔墩適應(yīng)結(jié)構(gòu)的這種變形。在墩身的布置上,一般采用雙肢墩身,其水平抗推剛度較小,雙肢墩亦可減小梁的負(fù)彎矩峰值,而且又有較大的抗彎剛度。雙肢墩身一般為雙薄壁實(shí)心墩和雙薄壁箱形截面,但近年來(lái)雙薄壁空心墩有逐步取代雙薄壁箱形墩的趨勢(shì)。當(dāng)然當(dāng)橋墩很高時(shí),也可以采用單肢實(shí)心墩或單肢空心墩。具體采用哪種形式要綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、跨度大小、墩高、造型環(huán)境以及施工、造價(jià)等因素。

3 有限元模型

本研究采用空間有限元方法分別建立了3種工況下單雙肢橋墩形式的空間有限元計(jì)算模型。主梁、主墩均采用每個(gè)節(jié)點(diǎn)6個(gè)自由度(包括3個(gè)線位移自由度和3個(gè)角位移自由度)的空間梁?jiǎn)卧M;另外,還考慮了樁基和土的共同作用,把樁基礎(chǔ)考慮成一段一段的三維梁?jiǎn)卧?單元的質(zhì)量集中在節(jié)點(diǎn)上,主墩樁基周?chē)恋募s束作用可用等代土彈簧來(lái)代替。等代土彈簧的剛度系數(shù)與土層的厚度、樁柱的計(jì)算寬度、土層的深度以及土介質(zhì)的m值有關(guān),支座作用通過(guò)對(duì)梁部支座處相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的約束來(lái)模擬。主梁與主墩之間、主墩墩底與樁頂之間均通過(guò)剛臂連接。兩種模型除了橋墩形式不同外,其余方面完全相同。

4 計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的計(jì)算既可驗(yàn)證計(jì)算模型的精度,又是進(jìn)一步進(jìn)行地震響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。對(duì)單肢橋墩三種不同工況下的空間有限元模型對(duì)該橋進(jìn)行計(jì)算,得到前10階自振頻率及相應(yīng)的振型特征,如表1所示。對(duì)雙肢橋墩三種不同工況下的空間有限元模型對(duì)該橋進(jìn)行計(jì)算,得到前10階自振頻率及相應(yīng)的振型特征,如表2所示。

表1 單肢箱形墩頻率和振型表

計(jì)算結(jié)果表明,三種不同的工況下計(jì)算得到的單雙肢橋自振頻率值較接近,各階自振頻率相對(duì)應(yīng)的振型特征基本一致,可知兩種方案結(jié)構(gòu)體系整體質(zhì)量與剛度分布一致。單雙肢模型在成橋狀態(tài)下,二者的振型特征完全一致,單肢橋墩的自振頻率要稍大于雙肢橋墩,說(shuō)明在成橋狀態(tài)下,兩種橋墩形式的動(dòng)力性能不相上下。在最大伸臂工況下,二者的振型特征基本一致,單肢橋墩模型的前幾階頻率要大于雙肢橋墩模型的頻率。在最大雙伸臂工況下,單肢橋墩模型的前幾階頻率要大于雙肢橋墩模型的頻率;雙肢橋墩模型的振型中出現(xiàn)了主墩扭轉(zhuǎn),這在施工過(guò)程中是不利的;單肢橋墩形式的模型在三種工況下始終都沒(méi)有出現(xiàn)扭轉(zhuǎn),單肢箱形墩方案自振頻率值明顯較雙肢箱形墩方案大,可知單肢箱形墩剛度較雙肢實(shí)體墩剛度大。由此可見(jiàn),單肢橋墩形式相比于雙肢橋墩形式在動(dòng)力性能上有優(yōu)勢(shì)。

表2 雙肢箱形墩頻率和振型表

5 結(jié)語(yǔ)

連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩是連續(xù)剛構(gòu)橋重要的組成部分,其力學(xué)性能的優(yōu)劣直接決定著橋梁整體動(dòng)力特性,因此研究連續(xù)剛構(gòu)橋不同結(jié)構(gòu)形式橋墩具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文著重研究連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩兩種不同的形式單雙肢橋墩的動(dòng)力性能,通過(guò)比較,單肢橋墩形式相比于雙肢橋墩形式有明顯的優(yōu)勢(shì)。此結(jié)論可為以后同類(lèi)工程的設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 范立礎(chǔ),胡世德,葉愛(ài)君.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001.

[2] 范立礎(chǔ).橋梁抗震EM3[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1996.

[3] 李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1992.

[4] 徐君蘭,顧安邦.連續(xù)剛構(gòu)橋主墩剛度合理性的探討[J].公路交通科技,2005(2):9.

[5] 顧安邦,范立礎(chǔ).橋梁工程(下)[M].北京:人民交通出版社,2000:46-47.

[6] 魏洪林,金麗霞.橋梁工程的動(dòng)力反應(yīng)譜分析[J].山西建筑,2008,34(5):341-342.

[7] 馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋[M].北京:人民交通出版社,2001:34-36.