约束形式对高墩变截面钢桁架桥抗震性能影响的探讨

刘 军

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

随着设计、施工工艺不断完善，材料强度和性能的不断提高，基础建设工程也逐渐开始向高烈度地震区延伸。高烈度地震对公路桥梁，特别是高墩连续体系桥梁的破坏是巨大的[1]。为防止地震灾害对桥梁结构的破坏，避免影响震后救灾及次生灾害的发生，提高高烈度地震区桥梁的抗震能力就尤为重要。本文就一高墩钢桁架桥进行抗震研究，对今后该体系桥梁的抗震设计提供一定参考帮助。

1 工程概况

某特大桥为一跨越黄河而设的变高度钢桁架特大桥，主桥跨径为（140+4×180+140）m，桥梁全长1000 m。上部结构采用变高度钢桁架，主桁跨中桁高10 m，支点桁高18 m，桁高变化为二次抛物线；腹杆为带竖杆的华伦式体系，节间距为10 m。横桥向设双片桁，间距14.4 m，通过主桁横梁和横向斜撑扩展桥面宽度至33.5 m。桥面系采用纵、横梁支撑钢筋混凝土桥面板体系，板厚16 cm，桥面采用9 cm沥青混凝土铺装。如图1～图4所示。

图1 边跨主桁立面图（单位：cm）

图2 中跨主桁立面图（单位：cm）

图3 跨中（边支点）横断面图（单位：cm）

图4 中支点横断面图（单位：cm）

下部结构主墩（2～4号墩）采用变截面空心薄壁墩，单箱双室截面；墩顶顺桥向宽度8 m，以100∶1坡率放坡至墩底，壁厚0.6 m；横桥向墩宽12 m，壁厚0.8 m，墩高120 m，承台平面为六边形，厚度3～6 m，呈马蹄状；采用钻孔灌注桩基础，平面布置37根D200桩基础。如图5所示。过渡墩（1号和5号桥墩）采用独柱式空心矩形截面，截面尺寸（29.06×5）m，壁厚0.6 m。采用矩形承台设置21根D200桩基础。桥位处抗震设计第一水准50年超越概率10%下加速度峰值0.15g，抗震设防烈度Ⅶ度，场地类别为Ⅲ类。

图5 主墩一般构造图

2 结构计算模型

本桥高墩、长联，地震烈度高、场地条件差的特点使桥梁产生较大的结构位移和下部结构地震荷载，必须采用减震设计达到降低地震力，减小结构位移的目的。为了对比不同约束方式对结构地震作用的影响，计算给出如下3种方案：

a）方案一 主桥墩与梁固结；边墩一侧采用顺向滑动支座，另一侧采用双向滑动支座，并设置顺向阻尼器。

b）方案二 主桥墩与梁一侧采用固定支座，另一侧采用横向滑动支座；边墩一侧采用顺向滑动支座，另一侧采用双向滑动支座，并设置顺向阻尼器。如图6所示。

图6 约束布置图

c）方案三 只在中间墩设置顺桥向约束，在横向有选择地采用部分约束（为满足横向抗风需要，横桥向需采用隔震设计。隔墩释放支座横向约束，安装横向熔断器和阻尼器，风荷载作用下横向全约束，地震荷载作用下破坏限位装置解除约束，与横向阻尼器配合实现地震作用下横向减震消能），其余为滑动支座，并设置横纵向阻尼器。如图7所示。

图7 约束布置图

采用MIDAS对大桥进行抗震计算。所有单元均采用杆系单元，整个结构划分为5501个单元，整个结构在墩底固结。如图8所示为大桥空间计算模型。

图8 有限元计算模型

3 计算结果分析[2-3]

由于方案一和方案二需要柔性墩适应主桁架在温度影响下的纵向变形，因此计算比较了墩顶宽6 m、7m、8 m三种不同的截面形式。方案三只计算了墩顶宽8 m的情况。

为了选取最合适的阻尼器，进行了一系列阻尼器参数对比。最终确定方案一、二采用的顺桥向阻尼器参数为：C=2000，α=0.3。方案三采用的顺桥向阻尼器参数为：C=4000，α=1.0；横桥向阻尼器参数为：C=2000，α=0.3。

表1 模型参数汇总表 m

3.1 不同约束方式下的地震响应

针对上述模型，表2给出桥梁结构横桥向和顺桥向地震响应。

表2 墩底内力计算结果 kN·m

从表2可以看出，对比模型1、2、3计算结果，随着截面尺寸的增大，墩底弯矩也随之增大。模型4、5、6也有相同的规律。说明由于截面尺寸增大，使得结构刚度增加，从而增大了结构动力响应。

图9 顺桥向弯矩与等效屈服弯矩对比图

从图9可以看出，对比模型3、6、7计算结果，在截面尺寸相同情况下，方案三墩底顺桥向弯矩显著减小，显示出设置阻尼器的优越性。

图10 横桥向弯矩与等效屈服弯矩对比图

从图10中可以看出，在计算的7个模型中，方案三墩底横桥向弯矩明显小于其他两种约束情况。

3.2 不同约束方式下的墩顶位移

针对上述模型，表3给出桥梁结构横桥向和顺桥向墩顶位移。

表3 墩顶位移计算结果 m

图11 墩顶位移对比图

从图11可以看出，在计算的7个模型当中，方案三的横、顺桥向墩顶位移明显小于其他两种约束模型，且从计算结果可以看出，设置阻尼器对减小横桥向墩顶位移的作用尤为明显。

4 结论

本文对一高墩大跨变高度钢桁架桥的隔震效果进行了分析研究，结论如下：

a）主墩未设置阻尼器的墩梁约束形式，随着截面尺寸增大，墩底顺桥向弯矩也随之增大。说明由于桥墩截面尺寸增大，结构刚度相应增大，从而增大了结构的动力响应；截面尺寸相同时，设置阻尼器的结构模型墩底横桥向、顺桥向弯矩显著减小，显示出了设置阻尼器的优越性。

b）设置阻尼器时，结构横、顺桥向墩顶位移明显小于其他两种约束形式，且设置阻尼器对减小横桥向墩顶位移的作用尤为明显。