桥墩尺寸及基础刚度对高墩大跨连续刚构桥受力及自振特性的影响分析

单传亮

（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

桥墩尺寸及基础刚度对高墩大跨连续刚构桥受力及自振特性的影响分析

单传亮

（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

以阿富准铁路额尔齐斯河高墩大跨连续刚构桥的设计为工程背景，研究了桥墩尺寸和基础刚度对高墩大跨度连续刚构桥受力及自振特性的影响。结果表明:桥墩尺寸的增大引起墩顶、墩底弯矩的增加，但对梁体跨中弯矩影响很小；增加桥墩壁厚对横向自振频率影响最大，增加桥墩横向尺寸对其的影响次之；随着基底模拟刚度的增大，墩底弯矩增加较多，而其他截面受力变化很小。

大跨连续刚构桥；桥墩尺寸；基础刚度；自振特性；高墩

1　工程概况

1.1主桥概况

额尔齐斯河特大桥位于新疆阿勒泰地区富蕴县境内，是新建阿勒泰至富蕴铁路的控制性工程之一。该桥为跨越额尔齐斯河而建，桥梁全长592.81m，位于直线、缓和曲线及半径3000m的圆曲线上。主桥采用（60.75+100+60.75）m连续刚构，两个主墩高63m，场址地震动峰值加速度0.23g，地震基本烈度8度，主桥立面布置见图1。

图1　主桥立面布置（单位：m）

1.2箱梁构造

梁体采用单箱单室变高度直腹板箱形截面，中支点处梁高7.5m，跨中及边墩现浇段梁高4.6m，梁底曲线为二次抛物线，抛物线方程为y=0.0001432x2。箱梁顶宽7.5m，底宽5.0m，中支点处梁底局部加宽至7.0m。箱梁顶板厚0.4m，底板厚0.5～1.0m，腹板厚0.45～0.80m。箱梁在中墩及边墩墩顶设置横隔墙，中墩顶设2道横隔墙，厚度均为1.5m。

1.3下部构造

刚构部分5#，6#主墩采用矩形空心墩，两墩墩顶处空心段壁厚1m，墩顶及墩底分别设置3，5m的实体段。基础采用16根1.8m的桩基础，桩间距纵向4m，横向6m，边墩采用圆端形空心墩。

2　大跨连续刚构桥梁受力特点

刚构桥由于墩梁固结，受力较连续梁复杂。桥墩尺寸决定了桥墩的纵、横向刚度，主墩的纵向刚度越大，所受纵向力也越大。墩梁的相对刚度还决定了墩梁之间的内力分布。另外，高墩大跨度刚构桥梁必须有足够大的横向刚度以满足横向墩顶位移和行车安全的要求，但本桥地震烈度高，增大横向刚度会引起地震力的大幅增加。桥梁的自振特性是桥梁刚度和抗震分析的重要参数。针对以上特点，结合额尔齐斯河特大桥工程实例，分析桥墩尺寸及基础刚度对高墩大跨度连续刚构桥受力及自振特性的影响。

2.1桥墩尺寸对结构受力的影响

额尔齐斯河特大桥5#，6#主墩采用矩形空心墩，尺寸为纵向6m，内外坡均为直坡；横向墩顶7m，外坡30∶1，内坡45∶1，墩顶处壁厚1m。以5#主墩尺寸为例，以0.2m分级分别考虑以下3种方案：

方案1：纵横向尺寸及坡度不变，壁厚分别采用0.6，0.8，1.0，1.2，1.4m；

方案2：横向尺寸、壁厚及坡度不变，纵向尺寸分别采用5.6，5.8，6.0，6.2，6.4m；

方案3：纵向尺寸、壁厚及坡度不变，横向尺寸分别采用6.6，6.8，7.0，7.2，7.4m。

1）空心墩壁厚

选取方案1，分别计算在主力及主力+附加力作用下桥梁的边跨跨中、中跨跨中、墩顶、墩底截面的弯矩。空心墩壁厚对结构受力的影响见图2。

图2　空心墩壁厚对结构受力的影响

2）空心墩纵向尺寸

选取方案2，分别计算在主力及主力+附加力作用下桥梁的边跨跨中、中跨跨中、墩顶、墩底截面的弯矩。空心墩纵向尺寸对结构受力的影响见图3。

3）空心墩横向尺寸

选取方案3，分别计算在主力及主力+附加力作用下桥梁的边跨跨中、中跨跨中、墩顶、墩底截面的弯矩。空心墩横向尺寸对结构受力的影响见图4。

分析图2—图4可知：

1）随着空心墩壁厚的增大，4个截面处的弯矩均增加，墩底弯矩增加了24.7%，墩顶弯矩增加了11.8%，梁体跨中截面的弯矩增加值较小，均＜2%。

2）随着空心墩纵向尺寸的增大，墩底弯矩增加了23.6%，墩顶弯矩增加了6.8%，梁体中跨跨中弯矩基本不变，边跨跨中弯矩略有减小。

3）随着空心墩横向尺寸的增大，墩底弯矩增加了4.5%，墩顶弯矩增加了2.1%，梁体中跨及边跨跨中弯矩基本不变。

图3　空心墩纵向尺寸对结构受力的影响

图4　空心墩横向尺寸对结构受力的影响

2.2基础刚度对结构受力的影响

在对刚构桥梁的静力和抗震分析过程中，通常用承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩土的相互作用，这6个弹簧刚度分别是竖向刚度、顺桥向和横桥向的抗推刚度、绕竖轴的抗扭刚度和绕两个水平轴的抗弯刚度。以5#主墩为例，将基础纵向刚度扩大0.5，1，2，4，8倍，分析基础刚度对结构受力的影响，见图5。

图5　基础模拟刚度对结构受力的影响

由图5可知：桩基纵向刚度由0.5倍提高到8倍，墩底弯矩增加了11.9%，墩顶弯矩增加了1.21%，中跨跨中弯矩基本不变，边跨跨中弯矩略有减小。

2.3桥墩尺寸对结构自振特性的影响

利用Midas软件建立全桥有限元模型进行动力分析，得到刚构桥前4阶的振型及自振频率。

1）空心墩壁厚

选取方案1，不同桥墩壁厚时结构自振频率见表1。

表1　不同桥墩壁厚时结构自振频率Hz

2）空心桥墩纵向尺寸

选取方案2，不同桥墩纵向尺寸时桥墩自振频率见表2。

3）空心桥墩横向尺寸

选取方案3，不同桥墩横向尺寸时桥墩自振频率见表3。

表2　不同桥墩纵向尺寸时桥墩自振频率Hz

表3　不同桥墩横向尺寸时桥墩自振频率Hz

分析表1—表3可知：

1）随着空心墩壁厚的增大，前3阶频率均增加，桥梁刚度增大，其中第2阶频率增加了9.83%，第1阶频率增加了4.55%。

2）随着桥墩纵向尺寸的增大，前3阶频率均增加，桥梁刚度增大，其中第2阶频率增加了3.55%，第1阶频率增加了9.36%。

3）随着桥墩横向尺寸的增大，前3阶频率均增加，桥梁刚度增大，其中第2阶频率增加了7.1%，第1阶频率增加了1.2%。

2.4基础刚度对结构自振特性的影响

以5#主墩为例，将基础纵向刚度扩大0.5，1，2，4，8倍，分析基础刚度对结构自振频率的影响，见表4。由表4可知：基础纵向刚度由0.5倍提高到8倍，纵向第一振型频率提高了13.4%，对横向频率没有影响；横向刚度由0.5倍提高到8倍，横向第一振型频率提高了13.5%，对纵向频率没有影响。

表4　不同基础刚度时结构自振频率Hz

3　结论

1）桥墩尺寸的增大引起墩顶、墩底弯矩的增加，对墩底弯矩的影响最大；增加壁厚和桥墩纵向尺寸对墩顶、墩底弯矩增加最明显，但对梁体跨中弯矩影响甚微。对于高墩桥梁，由于空心墩纵向刚度相对较小，梁体受力特点趋向于连续梁，故改变桥墩尺寸对梁体受力影响很小。

2）桥墩尺寸的增大引起桥梁自振频率的增加，桥梁纵、横向刚度随之变大。3个方案中增加壁厚对横向自振频率影响最大，增加桥墩横向尺寸对其的影响次之；增加桥墩纵向尺寸对纵向自振频率的提高最明显。

3）基础纵向刚度的增大，使墩底弯矩增加较多，其他截面受力变化很小；纵向刚度的增大，提高了纵向第一阶振型频率，对横向频率没有影响；横向刚度的增大提高了横向第一阶振型频率，但对纵向频率无影响。

4）增加壁厚对横向刚度影响最大，但在实际桥梁设计中，空心墩壁厚及基底刚度调整幅度不会太大。通过调整壁厚及桩基刚度改变桥梁刚度的效果有限，所以主要依靠增大桥墩纵横向尺寸来提高桥梁刚度。

［1］苏青青，王海良.边中跨比对大跨度连续刚构桥徐变变形影响分析［J］.铁道建筑，2012（10）：1-3.

［2］许力沱，王海良，常春伟.大跨度预应力混凝土连续刚构桥自振特性分析［J］.河北工业大学学报，2012，41（4）：88-92.

［3］徐斌.高墩大跨连续刚构桥的设计及关键技术研究［J］.铁道建筑，2015（10）：10-13.

［4］何畅.薄壁高墩连续刚构桥的空间稳定分析［J］.公路，2005（11）：32-35.

［5］王小民.兰州至中川城际铁路西固黄河特大桥设计［J］.铁道建筑，2014（6）：14-16.

［6］刘志军.长联高墩大跨不对称连续刚构桥设计与施工研究［J］.铁道工程学报，2010（12）：31-36，46.

［7］任权昌，杨新磊，董鹏，等.桥墩结构形式对大跨连续刚构桥抗震性能影响分析［J］.铁道建筑，2014（1）：24-27.

［8］靳志刚，左德中.大跨度预应力混凝土连续刚构桥合理边中跨比研究［J］.交通科技，2010（3）：31-34.

AbstractT aking the high piers long-span continuous rigid frame bridge design across the Irtysh River of the Altay-Fuyun railway as the engineering background，the influence of pier size and foundation stiffness on stress and free vibration performance of long-span continuous rigid frame bridge with high piers was analyzed.T he results show that the increase of pier size causes the bending moment at the top and bottom of the pier，but the influence of the bending moment is very little，and increasing the wall thickness of the pier is the greatest influence on the transverse natural frequency，the second is to increase the transverse dimension.With the increase of foundation stiffness，the bending moment at the bottom of bridge pier increases more，but the other cross sections is very little.

Analysis About Influence of Pier Size and Foundation Stiffness on Stress and Free Vibration Performance of Long-span Continuous Rigid Frame Bridge with High Piers

SHAN Chuanliang
（Xinjiang Railway Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

Long-span continuous rigid frame bridge；Pier size；Foundation stiffness；Free vibration performance；High pier

U448.23

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.04

1003-1995（2016）04-0013-04

（责任审编郑冰）

2015-12-02；

2016-01-21

单传亮（1981—），男，工程师，硕士。