高墩大跨连续刚构桥动力特性参数分析

林 驰

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

高墩大跨连续刚构桥动力特性参数分析

林 驰

(福建省建筑设计研究院 福建福州 350001)

以某主跨120m的连续刚构桥为例，采用空间有限元方法建立多种不同的分析模型，研究了边墩的模拟、高墩底部边界和墩身高度变化等参数对连续梁桥动力特性的影响。结果表明：连续刚构桥边墩的柔性对结构的面内和面外振动均有较大的影响，建模时考虑边墩的作用，不仅影响结构的振动频率，而且影响振型发生的顺序；墩身底部的边界条件对结构的动力特性有显著的影响，建立连续刚构桥的动力分析模型时，应同时考虑自由桩长和入土桩长的影响；主墩墩身高度不同时，结构的面外和面内的振动频率变化较大，墩身高度的变化对体系的竖向弯曲振动仍有较大的影响。

连续刚构桥；动力特性；边界条件；自由桩长；高墩

0 引言

大跨高墩连续刚构桥是目前各地广泛修建的桥型之一，尤其在跨越河谷地形位置，墩身高度大，采用墩、梁固结可省去大跨连续梁的支座，减小了日后支座维修的费用。另外，其顺桥向抗推刚度小，能有效地减小上部结构的内力，减小温度、混凝土收缩、徐变和地震的影响[1]。

结构模态分析是动力分析的基础，因此获得一个简单合理的分析模型是对大跨高墩连续刚构桥和城市大型高架桥进行地震反应分析和计算的基本前提，以确保桥梁抗震计算的正确性[2]。不少研究者[3-4]通过动力特性试验结果验证分析模型，文献[5]通过模型试验，研究了三跨斜交箱形连续梁的动力性能，比较了不同支撑条件的影响。

本文拟以某大跨连续刚构桥为研究对象，采用空间梁单元建立动力分析模型，对大跨连续刚构桥的动力特性进行了参数分析，以对该类桥的动力分析提供参考。

1 桥梁概况

图1 桥型总体布置图(单位：m)

以某三跨连续的预应力混凝土变截面连续刚构箱梁为例，桥梁的总体布置为：66m+120m+66m=252m。主梁采用单箱单室箱梁，宽度12.0m，设2个行车道，行车道净宽11.0m。主墩为箱型墩，最大桥墩高度为56.312m，顶部为墩梁固结。刚构箱梁根部高度7m，跨中高度2.8m，箱梁根部底板厚度120cm，跨中底板厚度28cm，梁高变化段梁底曲线采用2次抛物曲线，顶板厚度55cm，悬臂段顶板厚度26cm，箱梁腹板根部厚100cm，跨中厚50cm，箱梁顶宽12m，底宽6m，箱梁梁体两翼板悬臂长度3m，悬臂板端部厚15cm，根部厚70cm。箱梁顶设有2%的横坡。墩身尺寸为6m×4m的空心箱墩，壁厚80cm，并设置60cm×60cm倒角。主体结构箱梁采用C55混凝土，主墩除墩顶以下5.5m范围采用C55混凝土外，其余部分采用C40混凝土，桥型总体布置图如图1所示。

2 结构模型及有限元参数分析

要得到正确合理的结构体系动力特性，关键是要正确模拟结构体系的质量和刚度的分布特性。采用Midas Civil分析软件建立桥梁的空间有限元模型，模型中采用空间梁单元模拟上部结构的主梁、墩柱和桩基构件，采用附加集中质量模拟结构体系中的横隔板、承台等集中质量影响，桥面铺装层及护栏的重量影响按分布式附加质量考虑。为了全面考察不同的建模方式和参数变化对大跨连续刚构桥动力特性的影响，建立了不同的分析模型并进行了参数分析，主要包括以下3个方面的因素：①边墩的模拟对结构动力特性的影响；②高墩底部边界的影响；③墩身高度变化和高度差异的影响。

2.1 边墩模拟对结构动力特性的影响

高墩大跨度桥梁结构体系中，墩身的高度对结构的横向振动频率和振型的影响很大，并将进一步影响结构的横桥向地震反应。鉴于诸多研究者在研究高墩结构体系的动力特性时，建模过程中常常忽略边墩的影响，而直接在边墩顶部处采用点铰支承模拟主梁的边界，本文将对两种不同的做法建立不同的分析模型进行对比分析：模型1——按实际支承条件模拟；模型2——边墩位置处主梁直接采用点铰支承模拟。两种模型中主墩的边界条件采用承台顶部固结模拟，分析结果见表1所示。

针对两种不同的分析模型，选取前10阶的振动频率和振型进行对比，通过表1中的数据可以发现：前10阶振型中，两种分析模型的结果中各包含5阶面内振型和5阶面外的振型，但除第1阶振型外，其他各阶振型出现的顺序和相应的振动频率却发生了明显的变化，这势必影响到结构的其他动力荷载作用时的动反应。

2.2 高墩底部边界的影响

为了考察高墩底部的边界模拟方式对结构动力特性的影响，分别建立了4种不同边界条件的分析模型，包括①模型A：主墩在承台顶部固结；②模型B：主墩在自由桩长底部固结，本桥中承台底面以下的自由桩长为15m；③模型C：主墩在1/2入土桩长位置处固结，入土桩身部分侧向采用弹簧单元模拟约束；④模型D：主墩在桩身底部固结，入土桩身部分侧向采用弹簧单元模拟约束。桩周土的弹簧刚度采用m法计算，4种不同的模型中，边墩均采用在墩身底部固结，主梁与墩身顶部之间采用单向活动支座，即模型1的模拟方式。4种不同的分析模型如图2所示。

(a)不考虑基桩的影响

(b)考虑基桩的影响图2 主墩底部边界不同时的分析模型

表1 边墩模拟对结构动力特性的影响 Hz

高墩底部边界对结构动力特性影响如表2所示。表2中的分析结果表明，自由桩长对结构振动频率的影响显著，考虑自由桩长的影响后，结构的各阶振动频率显著降低，对面外振型的振动频率影响更为明显。考虑入土桩长的影响时，当计入桩周土的弹性支承作用时，考虑1/2入土桩长和全部入土桩长时的振动频率差别较小，两者之间的频率误差大小均不超过2.38%。与自由桩长底部固结的模型B相比，低阶振型最大误差亦不超过6%，但高阶振型仍有较大差别。因此，结构的动力特性分析模型中仍应该考虑入土桩长对结构动力特性的影响。

表2 高墩底部边界对结构动力特性的影响 Hz

2.3 主墩墩高的变化对动力特性的影响

桥梁主墩墩身高度受地形地物影响，桩身高度变化很大，而且两侧墩身高度往往也差别较大。根据上文分析结果，选择模型C作为进一步考察主墩墩高的变化对结构动力特性的影响。以2.2节中的设计模型为基准，补充分析以下2种情况进行对比：①CS1——单侧主墩的墩身高度减少26m，另一侧不变；②CS2——2个主墩的墩身高度同时减少26m。分析结果列于表3中，结果对比柱状图如图3所示。

由表3和图3中的结果可以看出，主墩高度的降低使得结构面内和面外的振动频率均有很大的变化，墩高降低，结构的整体刚度增大，各阶振动频率增加，但各阶振动频率所受的影响并不相同，低阶和高阶振型所受的影响较大，个别振型的影响较小。分析结果表明，即使预应力混凝土连续刚构桥具有相同的跨径布置和跨度，但是墩高不同时，结构的动力特性仍然相差很大，对结构的地震响应和车桥动力响应也必然有较大的影响。

表3 高墩底部边界对结构动力特性的影响 (Hz)

图3 主墩高度不同对结构体系振动频率的影响

3 结论

基于Midas Civil分析软件，采用空间有限元方法，以66m+120m+66m三跨连续的预应力混凝土变截面连续刚构箱梁为研究对象，建立多种不同的分析模型，对连续刚构桥进行了动力特性的参数分析。根据以上的分析结果可以得出以下结论：

(1)考虑边墩的影响与直接在两端采用铰支承的两种分析模型的前10阶振型中，结果中各包含5阶面内振型和5阶面外的振型，但除第1阶振型外，其他各阶振型出现的顺序和相应的振动频率却发生了明显的变化，这势必影响到结构的其他动力荷载作用时的动反应。故建议在大跨高墩连续刚构桥的设计过程中，边墩可按实际支承条件进行模拟计算。

(2)自由桩长对结构振动频率的影响显著，考虑自由桩长的影响后，结构的各阶振动频率显著降低，对面外振型的振动频率影响更为明显。考虑入土桩长影响时，当计入桩周土的弹性支承作用时，考虑1/2入土桩长和全部入土桩长时的振动频率差别较小，两者之间的频率误差大小均不超过2.38%，与自由桩长底部固结的模型B相比，低阶振型最大误差亦不超过6%，但高阶振型仍有较大差别。因此，建议在大跨高墩结构的动力特性分析中，应同时考虑自由桩长和部分入土桩长对结构动力特性的影响，并依据勘察报告给出桩周土合理的弹簧刚度值。

(3)主墩高度的降低使得结构的面内和面外的振动频率均有很大的变化，墩高降低，结构的整体刚度增大，结构的各阶振动频率增加，但各阶振动频率所受的影响并不相同，低阶和高阶振型所受的影响较大，个别振型的影响较小。分析结果表明，即使预应力混凝土连续刚构桥具有相同的跨径布置和跨度，但是墩高不同时，结构的动力特性仍然相差很大，对结构的地震响应和车桥动力响应也必然有较大的影响。

[1] 马保林.高墩大跨连续刚构[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2] 范立础，胡世德，叶爱君.大跨度桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 湛发益，贺国京，陈爱军，等.预应力混凝土连续梁桥静动力特性试验分析[J]. 铁道科学与工程学报，2009， 6(4)：17-21.

[4] 刘羽宇，高玉峰，夏招广，等. 大跨长联连续梁桥静动力试验研究[J]. 四川建筑科学研究，2010，36(5)：149-152.

[5] 何旭辉，盛兴旺，陈政清. 高速铁路PC斜交箱梁桥振动特性模型试验研究[J]. 铁道学报，2002，4(5)：89-92.

Dynamic Property Analysis of High-pier Long Span Continuous Rigid Framed Bridge

LINChi

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

A continuous rigid framed bridge with a main span of 120m was exemplified, and spatial finite element method (FEM) was taken to develop various vibrational analysis models, the effect of side span pier, boundary conditions at the bottom of the main piers and height of the main pier on structural dynamic properties were investigated. The results indicate that, side span piers have greatly effect on in-plane and out-plane vibrational properties, and should be considered when build up the dynamic model. The boundary condition at the bottom of the main piers significantly effects the structural dynamic properties, the free pile length and part of in-soiled pile length should also be considered rather than simply clamped at the bottom of the pier. As the height of the main piers varies, the in-plane and out-plane vibrational properties change greatly.

Continuous rigid framed bridge;Dynamic property;Boundary conditions;Free pier length;High pier

林驰(1969.6- )，男，高级工程师。

E-mail:lc@fjadi.com.cn

2017-02-18

U44

A

1004-6135(2017)05-0088-04