钢管混凝土格构式梁桥设计参数抗震研究

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(福建工程学院 土木工程学院， 福建 福州 350118)

钢管混凝土格构式高墩连续梁桥是一种新型的组合桥梁结构，具有结构轻、承载能力高、抗震性能好等优点[1]，在我国西部山区桥梁建设中已推广应用，如雅泸高速公路段上的干海子特大桥。

目前，针对该类新型结构的抗震性能研究主要集中在具体的工程实例。如文献[2]通过振动台试验模拟干海子大桥抗震性能，表明该类新型桥梁结构体系在不同方向地震力作用下，抗震性能良好。文献[3～5]分别采用弹性反应谱法、线性时程法、非线性动力法等不同分析方法对干海子大桥展开动力性能研究，探讨了该类新型组合桥梁的非线性地震响应特性和结构破坏机理。而关于这类结构的地震响应参数研究暂未见相关报道。本文以干海子大桥第一联为背景，研究不同设计参数对该类桥的抗震影响规律，旨在为钢管混凝土格构式高墩连续梁桥的概念抗震设计提供支撑。

1 模型的建立

1.1 工程概况

干海子特大桥位于雅西高速公路雅安至沪沽段内。全桥长1 811 m，分三联共36跨设计，第一联长481.9 m，第二联长1 044.7 m，第三联长268.2 m。桥面双向四车道分左右幅设计，每幅主梁由钢管混凝土下弦管、钢管腹杆及顶板组成桁架梁式结构。桥面板埋设预应力钢绞线。下部桥墩有钢筋混凝土双柱式墩、钢管混凝土格构墩和钢管混凝土复合墩3种结构形式。

1.2 有限元建模

以干海子大桥的第一联五、六、七三跨(墩高最高)为模型尺寸，主梁跨径均为45 m，下部墩高50 m，桥墩柱肢纵向坡度为1:50。运用Midas Civil软件构造多座对称直线连续梁桥，全桥均采用梁单元模拟。桥面二期恒载按20 kN/m分布，采用组合截面模拟钢管与混凝土约束效应。用不同的弹性刚度值模拟1#墩(固定支座GPZ-12.5GD)和2#墩(盆式支座YLXZ-1000×12)支座连接。主梁两端竖向、横向位移和绕Y、Z轴转动均受约束，墩底用固结形式。三维有限元模型如图1所示。

固定墩(1#) 活动墩(2#)图1 有限元计算模型(B-0)Fig.1 Finite element model of the bridge(B-0)

1.3 抗震分析方法

现有的桥梁弹性抗震分析方法主要有弹性静力法、反应谱法和时程分析法。本文采用时程分析法[6]。

1.4 地震波输入

依据《公路桥梁抗震设计细则》[7]，采用时程分析法，分别选取El Centro、Taft、Northridge3条与场地相适应的地震波，取地震响应最大值作为结果。仅考虑顺桥向工况，最大加速度峰值均调为0.086g。

2 地震响应参数分析

高墩梁桥一般以弯曲型破坏为主，结合标准模型B-0的响应分析，选取固定墩(1#)的墩顶和墩底处作为桥墩的控制截面。分别以墩顶位移值、墩底轴力和弯矩值作为抗震性能评价依据指标。

2.1 梁墩刚度比

梁墩刚度比在一定程度上决定了结构的内力分布。通过改变桥墩的高度来实现纵向梁墩不同的刚度比值。主梁和桥墩纵向刚度相对大小采用梁墩纵向刚度比R1表示。

(1)

式中：EGIG为主梁纵向抗弯刚度，N·mm2；L为全桥长度，m；EPIP为桥墩抗弯刚度，N·mm2；Hi为第i个桥墩的墩高，m。一般情况下，桥梁跨径与墩高的比值在0.5～1.5之间，干海子大桥最低格构墩墩高24.15 m，最高67.29 m，均此范围内。为研究梁墩刚度比参数对格构墩的抗震影响规律，在标准模型R1=9.2(50 m)的基础上，以R1±2为主要间距，构造了2.2≤R1≤17.2(22 m≤H≤71m)的多个模型。在E1地震作用下，不同的R1地震响应值见表1，曲线图见图2～4。

由表1及图2～4可以看出：在E1地震力作用下，随着梁墩刚度比R1的增大，格构墩的内力响应值及墩顶位移值大致呈两个递减阶段。当R1从2.2增大到9.2时，墩底柱肢单元轴力值、弯矩值和墩顶位移率分别减小了21.8%、71.4%和41.6%，其中R1=5.2时，由于结构共振效应使得内力响应值出现“反弹”增大现象；当R1从9.2递增到17.2时，地震响应值变化幅度较小，对应的内力值分别下降了6.5%、35.8%、25.6%。

表1 不同梁墩刚度比的内力值Tab.1 Internal force value with different R1

图2 不同梁墩刚度比的墩底轴力值Fig.2 Pier bottom axial forces with different R1

图3 不同梁墩刚度比的墩底弯矩值Fig.3 Pier bottom bending moment with different R1

图4 不同梁墩刚度比的位移率Fig.4 Displacement rate with different R1

综上可知：梁墩刚度比是影响钢管混凝土格构墩地震响应值的主要参数之一。总体上，随着R1的增大，结构的内力响应值和位移变形量逐渐降低且趋于稳定，主要是因为结构的地震响应与刚度有关。当R1较小时，结构刚度大，此时地震响应值变化较为敏感；之后随着R1的增大，整体结构变柔，在外力作用下，更多的能量是在桥墩变形过程中耗散。建议针对该类新型结构体系，梁墩刚度比R1宜大等于9.2，这样既可避免因桥墩刚度过大而引起构件破坏，同时又能保证地震响应值相对较为稳定，有利于工程设计控制。

2.2 格构墩缀管布置形式

常见的钢管混凝土格构柱缀管布置形式有“平型”、“N型”、“K型”、“W型”和“X型”5种[8]，如图5所示。为了解各缀管布置形式抗震性能的差异性，保持其他设计参数不变，仅改变格构墩缀管布置形式。在多地震作用下，5种不同缀管布置形式桥型的响应峰值及对比图分别如表2和图6～ 8所示。

(a)平型 (b)N型 (c)K型 (d)W型 (e)X型图5 格构墩缀管布置方式Fig.5 Tube arrangement types of latticed piers

缀管形式缀管用钢量/t墩底轴力/kN墩底弯矩/(kN·m)位移△/mm平型21．39742380216N型50．111288320240K型50．110823290215W型29．110790312215X型79．110951243218

图6 不同缀管布置形式的墩底轴力值Fig.6 Pier bottom axial force with different infix tubes

图7 不同缀管布置形式的墩底弯矩值Fig.7 Pier bottom bending moment with different infix tubes

图8 不同缀管布置形式的墩顶位移值Fig.8 Displacement value of pier tops with different infix tubes

由上可见，格构墩的缀管布置形式参数对轴力值和位移量指标影响较小，对弯矩响应值影响显著。与其它4种斜缀管布置形式相比，平型缀管式格构墩的墩底弯矩响应值明显最大，而墩底轴力值和位移值相差较小，一方面是因为斜缀管仅起到连接纵向柱肢之间的传力与耗能作用，斜缀管能够分解部分纵向水平推力，有效降低柱肢单元的力矩；另一方面，格构墩柱肢截面面积大，是整体结构的主要抗力构件，缀管起到的作用比重较小，因此对轴力值和变形量影响较小。

对比4种不同的斜缀管响应峰值发现，N型各个地震响应指标均最大，是最不合理的构造结构。其余3种缀管布置形式内力值相差较小，X型缀管桥墩力学性能较好，但结构相对复杂且缀管用钢量明显较大，W型和K型缀管格构墩桥梁的内力值和用钢量适中。权衡考虑结构的力学性能、用钢量和施工的难易性，建议格构墩缀管布置可采用平型、K型或W型斜缀管形式。

2.3 减隔震装置

桥梁支座作为连接桥梁上下部结构和传递荷载的重要部件，应用减隔震技术是实现结构抗震减震的有效方法和重要手段。鉴于钢管混凝土格构式高墩连续桁架梁桥结构刚度小、周期长，采用整体型减隔震装置效果不是很理想，选择橡胶支座+粘滞阻尼器(VFD主要参数值：额定荷载2 000 kN，阻尼系数2 kN·s/mm，速度指数1，设计速度1 000 mm/s)装置。为了探究减隔震装置是否适用于该新型梁桥结构体系，构造了不同的梁墩刚度比值和设防烈度等级双参数模型，并对其进行响应分析。引入减隔震概念来评价隔震装置的隔震效果，其计算公式下式所示[9]。

隔震率=

(2)

篇幅所限，本小节就不列出各个指标的隔震率具体数值表，不同模型的轴力、弯矩及位移值指标隔震率对比结果如图9～11所示。

图9 计算模型的轴力隔震率Fig.9 Calculation of the model’s seismic isolation of the axial force

图10 计算模型的弯矩隔震率Fig.10 Calculation of the model’s seismic isolation ratio of the bending moment

图11 计算模型的位移隔震率Fig.11 Calculation of the model’s seismic isolation ratio of the displacement

由上可见，梁墩刚度比值越小，隔震率越突出，3个指标的最大隔震率值接近80%。且设防烈度区等级对各个指标的隔震率影响程度不尽相同，从图9可知，设防烈度等级越高，轴力指标的隔震效果越好，如当R1=2.2时，6度和9度等级的隔震率分别是57.0%和20.4%，且隔震率与设防烈度等级近似呈比例关系；由图10可看出，在6、7、8度设防烈度，弯矩响应值的隔震率相差较小，且均大于9度设防烈度；从图11可看出，位移指标的隔震率几乎不受设防烈度等级影响。主要是因为减隔震装置起到延长结构自振周期作用，当梁墩刚度比值较小时，这种现象越明显。建议针对该类新型梁桥体系，不论结构处于哪个设防烈度等级，在同等条件下均应首选减隔震装置来提高结构的受力性能，尤其是刚度较大，周期较短的结构。

3 结论

1)梁墩刚度比参数是影响格构墩地震响应值的主要参数之一。随着R1的增大，结构的地震响应值近似呈两个不同程度的下降阶段，当R1<9.2时，各个响应值递减幅度明显，当R1≥9.2时，各个指标变化较小且趋于稳定值。建议梁墩刚度比值宜控制在大等于9.2，可使得结构的受力性能更合理。

2)缀管布置形式对格构墩的墩底弯矩响应值影响较大，而对控制截面的轴力值和位移量几乎没有影响。建议实际工程中选择平缀管式、K型或W型作为格构墩缀管连接方式。

3)减隔震装置发挥的隔震效果与梁墩刚度比和设防烈度等级密切相关，总体上轴力、弯矩和位移指标的隔震率随着梁墩刚度比的增大而减小。随着设防烈度等级的提高，轴力隔震效果越好，且与设防烈度等级呈线性关系，而弯矩隔震率呈不同幅度的减小，位移隔震率几乎不受设防烈度等级影响。

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