橋墩選型對連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響

李強(qiáng)強(qiáng) 張 恒

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

連續(xù)剛構(gòu)橋是將墩身與主梁固結(jié)成一體的橋梁。由于墩身與主梁形成剛架，承受上部結(jié)構(gòu)荷載時(shí)，主梁受力合理。連續(xù)剛構(gòu)橋一般位于深山峽谷之中，且跨越能力強(qiáng)，需要一定的抗震能力，而橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的震害主要發(fā)生在橋梁下部結(jié)構(gòu)，有不少學(xué)者對此作了一些研究。寧丹等運(yùn)用反應(yīng)譜法分析了墩身高差對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)的影響；盧澤睿等研究了不同地震激勵(lì)方向?qū)﹄p薄壁連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響；何其宗等研究了同時(shí)考慮凍水壓力和樁—土效應(yīng)時(shí)的地震響應(yīng)；張澤宇等運(yùn)用大型有限元分析軟件Midas Civil分析了墩高對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響；臺(tái)玉杰等采用有限元分析法研究了在地震作用下不同斜腿夾角的連續(xù)剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律；李寧等采用地震反應(yīng)譜法分析了在地震作用下連續(xù)剛構(gòu)橋墩身傾角對結(jié)構(gòu)位移及內(nèi)力的影響規(guī)律；張清旭等采用有限元分析法，探究了橫系梁個(gè)數(shù)對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋自振特性的影響；唐楊通過改變單薄壁墩的截面形式和截面尺寸來研究了橋梁地震響應(yīng)[3]。綜上所述，雖然業(yè)內(nèi)學(xué)者對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的研究已取得豐碩的成果，但關(guān)于橋梁墩身截面尺寸對于連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)的影響研究成果較少。因此，本文基于陜西某連續(xù)剛構(gòu)公路橋，分別控制墩截面縱向剛度和橫向剛度，對3種墩截面形式的連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行自振特性分析以及地震響應(yīng)分析。

1 工程概況

本文基于陜西某連續(xù)剛構(gòu)公路橋建立模型進(jìn)行分析，主橋上部結(jié)構(gòu)為(65+120+65)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)，由單箱單室箱形斷面組成。箱梁根部高度7.2 m，跨中梁高3.0 m，其間梁高按1.8次拋物線變化。箱梁頂板寬12.90 m，底板寬7.0 m，頂板厚0.30 m，底板厚由跨中 0.32 m按1.8次拋物線變化至根部0.90 m，腹板厚跨中段為0.50 m、根部變?yōu)?.70 m，漸變段長7.0 m。下部結(jié)構(gòu)采用矩形空心墩，6號(hào)墩高為65 m，7號(hào)墩高為84 m，主橋上部結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，墩身采用C30混凝土，該橋的結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

為了研究不同墩型對連續(xù)剛構(gòu)橋的自振特性與地震響應(yīng)，擬采用以下墩型(如圖2所示)。

其中，工況一為原橋截面，工況二，三分別為與原橋墩截面縱向剛度和橫向剛度相同下的雙肢墩截面，為簡便慣性矩計(jì)算時(shí)忽略倒角，各墩參數(shù)如表1所示。

表1 不同墩下的截面參數(shù)

2 計(jì)算模型

采用Midas Civil有限元分析軟件建立矩形空心墩和雙肢薄壁空心墩的整體模型(如圖3所示)，X方向?yàn)轫槝蛳?，Y方向?yàn)闄M橋向，為對比不同橋墩響應(yīng)，保持橋梁上部結(jié)構(gòu)不變，由于橋梁所處場地較好，模型不考慮樁土作用即采用墩底固結(jié)，左右邊墩采用一般支撐模擬，主梁與墩頂采用剛性連接。

由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》可知橋梁所處場地為Ⅱ類，橋梁抗震設(shè)防類別為B類，地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，抗震設(shè)防等級(jí)為8度。為保證地震動(dòng)隨機(jī)性，時(shí)程分析采用針對該橋場地的peer的3條地震動(dòng)輸入，并取計(jì)算結(jié)果最大值來分析，地震波沿著順橋向和橫橋向輸入，不考慮行波效應(yīng)，為便于比較不同橋墩響應(yīng)，僅對彈性結(jié)果進(jìn)行比較。時(shí)程函數(shù)之一如圖4所示。

3 自振特性分析

結(jié)構(gòu)自振頻率計(jì)算是結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)自振頻率取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與結(jié)構(gòu)的剛度，本文使用多重Ritz向量法對不同工況下的連續(xù)剛構(gòu)橋前十階自振頻率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從表2中可以看出：

1)橋墩類型不同會(huì)影響結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，三種工況中，矩形薄壁墩基頻最高，而雙肢墩基頻低，自振周期長，說明雙肢墩有效降低結(jié)構(gòu)剛度，延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，于抗震有利。

2)連續(xù)剛構(gòu)橋一般受墩梁固結(jié)的影響，自振振型中墩柱橫彎的同時(shí)會(huì)伴隨主梁的橫彎，墩柱縱彎的同時(shí)均通常會(huì)伴隨有主梁豎向彎曲。

3)橋梁的前十階振型中，前兩階振型分別為縱彎和橫彎，后八階振型以豎彎和橫彎為主。所以此橋主振型為豎彎和橫彎，因此此橋設(shè)計(jì)時(shí)還是要適當(dāng)增加橋墩橫向剛度。

表2 不同工況下連續(xù)剛構(gòu)橋自振特性對比

4 橋梁地震反映分析

選擇墩頂墩底和主梁跨中彎矩以及墩頂位移作為研究對象，為便于比較，雙肢矩形空心墩位移取雙肢平均值，彎矩取雙肢之和，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 不同墩截面內(nèi)力分析

從表3計(jì)算結(jié)果中可以看出：

1)雙肢矩形空心墩的墩頂橫向位移和縱向位移都大于矩形薄壁墩。

2)不論是保持縱向剛度相同還是橫向剛度相同，采用雙肢薄壁墩都可以明顯減少墩頂彎矩和墩底彎矩，雙肢對墩頂有“削峰”作用，有利于主梁受力。

3)無論是單肢墩還是雙肢墩，對主梁跨中彎矩影響不大。

5 結(jié)語

1)雙肢墩頻率比單肢墩頻率低，能夠有效延長結(jié)構(gòu)響應(yīng)周期，使結(jié)構(gòu)剛度能充分發(fā)揮其作用，降低結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

2)橋墩剛度對橋梁受力有明顯影響，橋墩選型時(shí)應(yīng)綜合考慮橋墩剛度，采用雙肢墩可以減小墩頂彎矩，但是位移會(huì)稍稍增大，于本橋抗震而言，還是建議采用雙肢薄壁墩。

3)本橋的兩個(gè)橋墩不是等高，橋墩之間存在著一定的剛度差，剛度差的最優(yōu)取值值得探討。