钢管混凝土桥墩非线性地震反应研究

杨宇峰

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司四川成都610000）

钢管混凝土桥墩非线性地震反应研究

杨宇峰

（中国市政工程西南设计研究总院有限公司四川成都610000）

本文主要分析钢管混凝土桥墩非线性地震的反应问题，阐述研究钢管混凝土桥墩抗震问题的重要性，针对实际使用情况，提出相关建议，以供参考。以期通过本文的分析能全面提高钢管混凝土桥墩的抗震性能。

钢管；地震；非线性

随着我国经济水平的不断提高，我国的交通事业也进入飞速发展时期，钢管混凝土的使用也十分普遍，但随着桥梁跨径的增大，钢管混凝土桥墩的抗震能力也引起我们的高度重视。结合以往关于钢管混凝土结构抗震性的研究，大多数研究集中于基本结构和力学性能两个方面，一些文献的分析存在相应的局限性，对此，本文从多个角度，在原有文献的基础上展开分析。

研究发现，钢管混凝土桥墩本身具有非常好的抗震能力，钢管混凝土优化结构以及力学性能，成为桥墩非线性抗震的理想选择。如何在保证设计的安全性和经济性的情况下，又提高桥墩的抗震性能，是我国桥墩建设面临的一大重要课题。

1　钢管混凝土桥墩概述

钢管混凝土是属于混凝土的组合材料，即在材料中加入混凝土，提高钢管壁受压的稳定性，提高钢管的耐久度和抗腐蚀能力，高强度的抗压力和延展性，使其成为最佳的塑性材料。有机的将钢材和混凝土进行结合，材料间的优劣互补，使其成为最佳抗震施工结构，正是因为这种优越性，所以，在实践中的运用十分广泛。

1.1钢管混凝土桥墩研究现状

在日本，桥梁墩柱施工均采用钢管混凝土结构，应用十分普遍，主要是因为它独特的优越性，钢管混凝土高度的抗压性，结构施工简单、快捷，较好的延展性，创造的经济效益显著，使得其深受人来的青睐。钢管混凝土结构优良的力学性能、综合性和经济性，使得其国内外得到了广泛运用，目前，我国对钢管混凝土结构的研究也开始逐渐深入探索，并在实践施工中推广应用。

1.2研究内容以及研究意义

探讨框架式钢管混凝土桥墩的抗震性能具有重要的研究意义。人们主要研究单肢立柱内力的响应特点以及内力分布特点，对相关参数进行分析，从而探索在地震内力下对立柱的影响，并与传统的地震响应进行比对。目前我国对于钢管混凝土结构体系理论方面的研究甚少，而以往的研究都是集中在基本构件方面。本文通过对钢管混凝土桥墩非线性地震影响的研究，对该种类型桥墩的抗震性能进行探索，为实际工程作业提供相应的理论支持与一定的帮助。

1.3模拟钢管混凝土桥墩的抗震性能

目前我国大多数的桥梁工程中，多数都会预制安装中小跨径梁桥，跨径大约在24～40m之间。大多数情况下，高速公路的上单幅桥的主梁重量约为200kN/m，跨径则为40m，上部结构总重量约为8000kN，根据国内桥梁的常规设计，参考实际的桥梁工程，拟定出一套钢管混凝土桥墩基本形式及主要参数。

桥墩由4肢钢管混凝土立柱组成，水平连接横梁及4肢立柱，每个立柱间距沿横桥向6m，顺桥2.5m，横梁间距保持在5m之间，桥墩高度为50m。墩顶的质量为800t，需要注意的是根据结构需要，肢立柱顶点共设计4个，结构承载负荷控制在200t；横梁主要使用空心圆形钢管，规格为1000mm×10mm，钢管使用混凝土进行灌注，灌注面积为1200mm×24mm。施工采用C30混凝土即可，结构抗压强度达到基本标准要求，即抗压强度标准值应为20.1N/mm2，钢管及横梁均采用Q235，屈服强度为235N/mm2。以保证钢管混凝土的抗震性能能满足实际要求。而一般实际施工中，人们还会采用空心壁墩工艺，两者具有相似性，但是也差异，具有可比性。

2　透过参数对桥墩自振频率的影响分析

2.1纤维截面的划分

在选择平截面假定的纤维单位时，对整个桥墩动力系统进行分析，由于在钢棍混凝土桥墩立柱中，轴力会发生较大的变化，如果对纤维进行细分，对在杆件压弯情况下，中性轴移动进行模拟，随着轴力的变化，构建力出现明显位移，此时，需要进行一个计算模型，并采取纤维单元的方式进行模拟，开展有效分析。

图1　钢管和混凝土截面纤维划分

2.2框架结果自振频率分析

透过研究我们会发现，影响自振频率的原因是立柱间距和尺寸大小以及各个衡梁的间距、衡量的直径、壁的厚度等等。其中对于框架式高墩刚度整体影响较大的则是横梁的坚硬程度。经过一系列的合理设计，进行地震频率的检验测试，在整个大结构框架中，各个构件的弯矩保持在一个较低的值。为了更好的分析横梁结构的刚度以及其对框架结构自振频率的影响，我们对钢管混凝土桥墩框架结构内应力进行研究，得出结果，并进行分析讨论。

分析参数的选择为：墩高按50m，墩顶的质量为800t，立柱直径选择为1.2m。通过基础参数，来计算相应的自振频率。通过改变相关的参数来进行不同比较分析，为分析结果的准确性做参考。图2中和图3是部分计算算结果。

图2　桥墩横梁截面惯性距-频率曲线（不带斜撑）

图3　桥墩横梁截面惯性距-频率曲线（带斜撑）

3　桥墩地震响应特点

为了解框架式桥墩在地震作用下内力是否会沿着墩高而发生变化，我们采用反应谱法的方式对框架式钢管混凝土桥墩进行了计算，也对空心薄壁墩进行计算，通过对比，如图4，是通过对采用反应步伐来计算桥墩各内力值的响应值。

图4　桥墩各内力值的响应值

图5　对比桥墩轴力的响应值

通过对比可以看出，框架式桥墩和空心薄壁墩的建立以线线形式分布，比对结果可以看出，两中桥墩的墩顶剪力相差不大，因为，墩顶剪力一般是由墩顶质量在地震作用下产生了水平力引起的。在地震动作用下空心薄壁墩产生的轴力非常小，而通过比对，我们发现框架式桥墩墩顶轴力小，但不是0的绝对值，墩底轴力最大，墩顶到墩低时呈阶梯状增大的特点，由于在输入地震波的频率是水平输出，空心薄壁墩的轴力是恒载轴力，水平地震波动没有在空心薄壁墩引起轴力。

线性与非线性响应比较：

为了研究框架式桥墩在线性与非线性时程的响应特点，所以对两种型式的桥墩进行了实际监测比对，如表1～2。

表1　监测结果

表2　监测结果

从表1～2的数据可以看出，在不同地震波作用情况下，线性与非线性时程响应的对比也分别不同，在编号为W1的地震波频下，框架式桥墩线性时程和非线性时程之间的响应好像没有多大变化，然而在通过编号为W2和W3地震波频的作用下，线性时程和非线性时程的响应就有明显的差异，在非线性状态下，桥墩内力的反应情况以不是线性时程所能代表，在非线性状态，整个桥墩的刚度会有很强烈的反差，下降明显，自振周期也会增大。由于随着周期的增加，在地震波反应下，相对应的谱值会随着时间的变化减小，内部结构的地震响应程度的也会出现相应的下架。相比较而言，框架式桥墩的结构比空心薄壁墩更有优越性，而且它良好的抗压性能，能使其发挥更好的抗震性能。

4　结论

通过对钢管混凝土桥墩非线性地震反应的研究，采取比对方法，使结果更有针对性。通过以上研究我们可以看出，当横梁刚度非常小时，如果增加横梁的刚度，频率的波动也会随之增加；但横梁的刚度在增加到对桥墩水平刚度的影响较小的情况下，影响横梁联结立柱效果，横梁的整体抗弯的能力是关键的影响因素。在以线性分布立柱剪力的情况下，在桥墩较高的两处横梁跨度之间的桥墩立柱接点，弯矩的数值会出现为零，这种情况下会出现反弯点，轴力的分布将不会以墩顶到墩低呈线性分布，阶梯状增大的特点与其对应的轴力进行变化。在桥墩没有斜撑时，增加横梁的刚度，可以适当的减小立柱的弯矩，但横梁刚度程度到了一定值时，立柱弯度将不会在减小；而在有斜撑时横梁刚度对立柱弯矩的影响程度也会减小，立柱的弯度基本上不会随着横梁刚度的增加或减小而产生变化。

5　结束语

本文在结合大量相关研究的基础之上，对钢管混凝土桥墩非线性地震反应进行探索，但在此研究上仍有不足，展望未来，期待相关人员能对钢管混凝土桥墩非线性地震反应能有更深、更全面的研究，为实际操作提供理论支持。

[1]常山，朱东生，何发礼，等.框架式钢管混凝土桥墩非线性地震反应分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2013，32（3）：389～395.

[2]魏亮道.大跨度铁路钢管混凝土拱桥的抗震分析[D].兰州交通大学，2011.

[3]文华斌.高墩大跨连续刚构桥的动力特性及抗震性能分析[D].西南交通大学，2010.

[4]常山.钢管混凝土桥墩非线性地震反应分析[D].重庆交通大学，2013.

U443.22

A

1673-0038（2015）14-0231-03

2015-3-23

杨宇峰（1985-），男，工程师，硕士，从事桥梁设计工作。