零號塊聯(lián)結(jié)對連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響分析

文凱 朱麗瑤

通過對一座（95+180+180+95） m跨徑高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的有限元分析，研究了在連續(xù)剛構(gòu)橋左右幅零號塊之間設(shè)置不同剛度的聯(lián)結(jié)構(gòu)造對主梁、主墩及樁基地震響應(yīng)的影響規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)剛構(gòu)橋左右幅主梁零號塊之間增設(shè)聯(lián)結(jié)構(gòu)造是一種能提高高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主墩及基礎(chǔ)抗震性能的有效措施，并可通過調(diào)整聯(lián)結(jié)構(gòu)造的剛度來調(diào)節(jié)橋梁各個(gè)構(gòu)件在不同受力方向上的地震響應(yīng)。

高墩大跨； 連續(xù)剛構(gòu)； 抗震設(shè)計(jì)； 零號塊聯(lián)結(jié)

U442.5+5 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡介］文凱（1989—），男，碩士，高級工程師，從事組合結(jié)構(gòu)橋梁及大跨徑橋梁設(shè)計(jì)與研究工作。

隨著我國交通建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，高速公路逐漸向山區(qū)延伸。山區(qū)地形起伏大，高速公路需多次利用橋梁跨越深溝高谷，對橋梁跨徑和墩高提出越來越大的需求。連續(xù)剛構(gòu)橋?qū)Φ匦蔚倪m應(yīng)能力強(qiáng)，施工工藝成熟，經(jīng)濟(jì)性好，在山區(qū)高速公路200 m以內(nèi)跨徑的高墩橋梁中占比極高。

山區(qū)地形地質(zhì)條件受限，居民點(diǎn)分散，路線走廊資源稀少，道路選線難以完全避開高烈度地震區(qū)。連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)自重較大，在其墩高及跨徑進(jìn)一步加大后，抗震設(shè)計(jì)的難度越來越大。采取工程措施提高抗震性能成為了高烈度地震區(qū)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)與研究中的重要課題。常見高速公路上的連續(xù)剛構(gòu)橋往往采用左、右線分幅設(shè)計(jì)，2幅橋的上部結(jié)構(gòu)箱梁、下部結(jié)構(gòu)墩臺均相互分離，作為相互獨(dú)立的2座橋各自承受荷載。在地震作用下，連續(xù)剛構(gòu)橋在橫橋向的抗震體系可以看作是一根底部固結(jié)的墩柱，上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量集中于墩頂，抗震受力較為不利。為了提高高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能，考慮在兩幅連續(xù)剛構(gòu)橋之間設(shè)置橫系梁，將左、右幅橋梁的零號塊聯(lián)結(jié)，從而使兩幅橋的主墩與橫系梁共同形成橫橋向的框架結(jié)構(gòu)，協(xié)同受力。

以四川樂山至西昌高速公路馬邊至昭覺段子莫格尼特大橋?yàn)楸尘埃糜邢拊治龇椒?，研究左、右幅零號塊聯(lián)結(jié)對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能的影響規(guī)律。

1 工程概況

四川樂山至西昌高速公路馬邊至昭覺段子莫格尼特大橋?yàn)榭缭絊103省道以及美姑河而設(shè)。橋位處地震動峰值加速度0.2g，抗震設(shè)防烈度為VIII度，場地特征周期0.45 s。主橋采用（95+180+180+95） m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，引橋采用40 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，小里程側(cè)引橋共10跨，大里程側(cè)引橋共4跨。

橋梁采用左右線分幅設(shè)計(jì)，左右幅橋梁全長均為1 119 m，單幅橋梁寬度12.6 m。橋梁平面線形由路線設(shè)計(jì)線形確定，3個(gè)主墩處，左、右幅橋梁翼緣之間的凈距分別為4.967 m、7.903 m和11.486 m。主橋平面如圖1所示。

連續(xù)剛構(gòu)橋的3個(gè)主墩高度分別為103 m、148 m和136 m，2個(gè)交界墩墩高分別為84 m/82 m和80 m/81 m（斜杠前的數(shù)據(jù)為左幅橋墩高，斜杠后的數(shù)據(jù)為右幅橋墩高）。主橋立面如圖2所示（以左幅橋?yàn)槔?/p>

主墩均為空心薄壁箱形墩，墩頂尺寸8 m（橫）×9 m（順），橫橋向按100∶1的坡度雙側(cè)放坡；3個(gè)主墩標(biāo)準(zhǔn)斷面壁厚分別為60 cm、75 cm和75 cm，在墩頂和墩底漸變加厚至150 cm。主墩基礎(chǔ)為分離式承臺接群樁基礎(chǔ)，單幅橋每個(gè)主墩設(shè)9根2.8 m的鉆孔灌注樁。

交界墩均為雙柱式矩形空心薄壁墩，墩頂尺寸為2.8 m（橫）×3.3 m（順），順橋向按80∶1雙側(cè)放坡，標(biāo)準(zhǔn)斷面壁厚50 cm。交界墩基礎(chǔ)為承臺接群樁基礎(chǔ)，單幅橋每個(gè)交界墩設(shè)4根2.0 m的鉆孔灌注樁。

主橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土單箱單室箱梁。主墩處梁高11.5 m，邊支點(diǎn)及中跨跨中處梁高3.5 m。

2 左、右幅零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造

結(jié)合主橋零號塊的構(gòu)造，在每個(gè)主墩位置的左、右幅橋梁零號塊之間設(shè)置4道預(yù)應(yīng)力混凝土空心薄壁聯(lián)系梁，對應(yīng)于零號塊橫隔板位置的上端和下端布置。分析中考慮了2種不同剛度的橫向聯(lián)系梁構(gòu)造，下文中分別稱為“強(qiáng)聯(lián)結(jié)”與“弱聯(lián)結(jié)”。強(qiáng)聯(lián)結(jié)橫系梁寬1.5 m、高3 m，弱聯(lián)結(jié)橫系梁寬1.5 m、高2 m。橫系梁構(gòu)造及位置如圖3所示。

另外，本橋12號墩墩高最大，為148 m，而與之相鄰的13號墩處左右幅橋梁翼緣間凈距為11.486 m，系梁設(shè)置難度較大。因此，為結(jié)合工程實(shí)際，分析中還考慮了一種“單聯(lián)結(jié)”構(gòu)造，即僅在墩高最大的12號墩頂零號塊處設(shè)置左右幅主梁間的聯(lián)系梁，聯(lián)系梁仍采用4道寬1.5 m、高3 m混凝土空心薄壁截面。

3 抗震分析方法

采用有限元分析軟件Midas Civil 2019進(jìn)行橋梁抗震計(jì)算分析。采用空間梁單元有限元模型模擬主橋上、下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)，同時(shí)在大里程側(cè)和小里程側(cè)分別建立一跨引橋T梁模型模擬交界墩處的抗震邊界條件。

建立支座上節(jié)點(diǎn)和下節(jié)點(diǎn)，支座上節(jié)點(diǎn)與主梁之間采用剛性連接模擬，支座下節(jié)點(diǎn)與蓋梁之間采用剛性的彈性連接模擬，在上、下節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置彈性連接模擬橡膠支座以及橫向擋塊，對減隔震支座以及阻尼器則采用Midas Civil軟件內(nèi)置的一般連接功能模擬。樁基均按實(shí)際的土層采用m法計(jì)算樁周土彈簧剛度，采用節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬。

抗震分析方法采用反應(yīng)譜法。一共建立了4個(gè)對比分析模型：無聯(lián)結(jié)模型、強(qiáng)聯(lián)結(jié)模型、弱聯(lián)結(jié)模型和單聯(lián)結(jié)模型。無聯(lián)結(jié)模型為單幅橋的有限元模型，強(qiáng)聯(lián)結(jié)模型、弱聯(lián)結(jié)模型和單聯(lián)結(jié)模型則建立了左右兩幅橋梁的計(jì)算模型，并在左、右幅橋梁零號塊處建立了橫向聯(lián)系梁單元，通過調(diào)整橫向聯(lián)系梁單元的位置和截面來模擬不同剛度的零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造。各橋墩處兩幅橋之間的間距根據(jù)實(shí)際間距建模（圖4、圖5）。

4 左、右幅零號塊聯(lián)結(jié)對橋梁動力特性的影響

4個(gè)模型的結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果顯示，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的前10階振型均為水平方向的振動，豎直方向的振型參與質(zhì)量均為零。無聯(lián)結(jié)模型分析得到的結(jié)構(gòu)前6階振型如圖6所示。其他3個(gè)設(shè)置左、右幅零號塊聯(lián)系梁的計(jì)算模型分析得到的主要振型形狀與無聯(lián)結(jié)模型大致相同，僅出現(xiàn)的順序有所區(qū)別。4個(gè)模型計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)前10階振型的頻率、周期與振型描述如表1所示，振型描述中的“引橋”指該階振型以引橋振動為主。

從上述結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果可以看到，主梁橫移的振型先于主梁縱移的振型出現(xiàn)，說明盡管主墩在橫橋向漸變加寬，橋梁在橫橋向的整體剛度仍小于順橋向的整體剛度。

對比4個(gè)模型分析得到的振動模態(tài)形狀，剔除主要為引橋振動的振型，得到連續(xù)剛構(gòu)主橋的前幾階振動模態(tài)。將上述4個(gè)模型中具有類似變形特征的主橋振動模態(tài)對應(yīng)的模態(tài)號和自振周期如表2所示。

從對比可知，在左右幅主梁零號塊之間增加聯(lián)結(jié)構(gòu)造可提高連續(xù)剛構(gòu)主橋的橫向剛度，從而增大橋梁結(jié)構(gòu)基頻，縮短一階自振周期（主梁橫移振型）；但增設(shè)零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造后，主橋縱移振型的頻率有所降低，對應(yīng)的自振周期延長；零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造的剛度越大，上述影響越明顯。

5 左、右幅零號塊聯(lián)結(jié)對橋梁地震響應(yīng)的影響

5.1 主梁彎矩

4個(gè)模型分析得到的主梁控制截面在E2地震作用下的彎矩對比如表3、表4和圖7、圖8所示。圖表中截面位置以墩號+左右側(cè)標(biāo)記（L/R）的形式表達(dá)，如“D11L”表示11號墩墩頂左側(cè)主梁截面；表中增量百分比為設(shè)零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造的模型在無聯(lián)結(jié)模型的基礎(chǔ)上的增量。

從對比可知，在左、右幅主梁零號塊之間增加連接構(gòu)造，會增大主梁在地震作用下的豎彎彎矩，但增加的幅度較?。ㄐ∮?.2%）；會減小最高墩墩頂左側(cè)主梁截面在地震作用下的橫彎彎矩，但是會增大主梁其余5個(gè)墩頂截面的橫彎彎矩。上述效應(yīng)均隨著連接構(gòu)造剛度增大而增大。若只在最高墩墩頂設(shè)置聯(lián)結(jié)構(gòu)造，則會增大第二個(gè)主跨兩端截面的橫彎彎矩，減小其余墩頂主梁截面的橫彎彎矩。

5.2 主墩內(nèi)力

4個(gè)模型分析得到的主墩在E2地震作用下的內(nèi)力對比如表5～表7和圖9～圖11所示。表中結(jié)構(gòu)部位的后綴代表墩號，圖中結(jié)構(gòu)部位用墩號+墩頂/墩底標(biāo)記（T/B）的形式表達(dá)，如“D11T”表示11號墩墩頂。表中增量百分比為設(shè)零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造的模型在無聯(lián)結(jié)模型的基礎(chǔ)上的增量。

從對比可知，在左、右幅主梁零號塊之間增加聯(lián)結(jié)構(gòu)造，會顯著增大主墩在地震作用下的軸力，減小主墩橫橋向彎矩，而對主墩順橋向彎矩有微弱的增大效應(yīng)（0.6%以內(nèi)）。隨著聯(lián)結(jié)構(gòu)造剛度的增加，對主墩地震響應(yīng)的影響也會更明顯。若只在最高墩墩頂設(shè)置左、右幅主梁聯(lián)結(jié)構(gòu)造，則只會對當(dāng)前橋墩的地震軸力產(chǎn)生明顯影響，對相鄰主墩地震軸力影響不大；聯(lián)結(jié)構(gòu)造對當(dāng)前橋墩在地震下的橫橋向彎矩有明顯減小，但相鄰主墩的地震橫橋向彎矩反而會明顯增大。

另外，左、右幅主橋不設(shè)聯(lián)結(jié)構(gòu)造時(shí)，主墩墩頂在橫橋向無水平約束，地震下的橫橋向彎矩為零，設(shè)置聯(lián)結(jié)構(gòu)造之后，形成框架效應(yīng)，在地震作用下，聯(lián)結(jié)后的主墩墩頂會出現(xiàn)較大的橫橋向彎矩，需核算墩柱橫橋向的配筋設(shè)計(jì)，適當(dāng)加強(qiáng)。

5.3 主墩樁基內(nèi)力

4個(gè)模型分析得到的樁基在E2地震作用下的內(nèi)力對比如表8～表10和圖12～圖14所示。圖表中結(jié)構(gòu)部位的后綴代表墩號。表中增量百分比為設(shè)零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造的模型在無聯(lián)結(jié)模型的基礎(chǔ)上的增量。

從對比可知，在左、右幅主梁零號塊之間增加聯(lián)結(jié)構(gòu)造后，最高墩的樁基在地震下的軸力有所減小，其余主墩樁基的地震軸力有所增大；主墩樁基的順橋向彎矩變化沒有明顯規(guī)律；主墩樁基在地震作用下的橫橋向彎矩有較明顯的減小。聯(lián)結(jié)構(gòu)造剛度越大，上述影響越明顯。

若只在12號墩處設(shè)置左、右幅連接構(gòu)造，對相鄰的13號橋墩的樁基橫橋向彎矩有較明顯的增大，對11號橋墩的樁基橫橋向彎矩有所減小。

5.4 主梁位移

各個(gè)模型E2地震作用下的主墩墩頂位移對比如表11、表12、圖15、圖16所示。圖表中結(jié)構(gòu)部位的后綴代表墩號。表中增量百分比為設(shè)零號塊聯(lián)結(jié)構(gòu)造的模型在無聯(lián)結(jié)模型的基礎(chǔ)上的增量。

增加橫向聯(lián)結(jié)對墩頂橫橋向位移改善效果明顯，對墩頂順橋向位移略有增大；增大聯(lián)結(jié)剛度，墩頂橫橋向位移會進(jìn)一步減小。若僅在高墩處零號塊設(shè)置左、右幅連接構(gòu)造，設(shè)連接處墩頂橫橋向位移減小明顯，但相鄰主墩墩頂橫橋向位移有較明顯的增大。

6 結(jié)論

（1）在連續(xù)剛構(gòu)橋左、右幅主梁零號塊之間增設(shè)聯(lián)結(jié)構(gòu)造可提高主橋橫向剛度，與兩幅橋主墩形成框架共同抵抗橫橋向地震，可增大橋梁結(jié)構(gòu)基頻，縮短一階自振周期（主梁橫移振型），減小地震作用下主橋橫橋向位移、主墩墩底橫橋向彎矩及主墩樁基橫橋向彎矩，是一種能提高高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋主墩及基礎(chǔ)抗震性能的有效措施。

（2）在連續(xù)剛構(gòu)橋左、右幅主梁零號塊之間增設(shè)聯(lián)結(jié)構(gòu)造會增大主墩及樁基在地震作用下的軸力、主墩墩頂及主梁的橫橋向彎矩，因此在實(shí)際工程應(yīng)用中需注意對相關(guān)的構(gòu)件進(jìn)行核算，并可通過調(diào)整聯(lián)結(jié)構(gòu)造的剛度來調(diào)節(jié)各個(gè)構(gòu)件在不同受力方向上的地震響應(yīng)。

（3）多主墩連續(xù)剛構(gòu)橋中，僅在某一個(gè)主墩墩頂?shù)淖?、右幅零號塊之間設(shè)置聯(lián)結(jié)構(gòu)造，會對相鄰主墩的抗震受力產(chǎn)生較明顯的不利影響。

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