格构式高墩连续梁桥设计参数抗震适用性研究

(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桁梁桥，是汇集主桁梁的轻型与格构墩的高延性性能于一体的新型梁桥结构，具有良好的抗震性能[1]。其墩身自重小，可减小桥墩承受的地震荷载，对基础要求较低；同时格构式桥墩通过合理设置的横撑和缀管，在地震作用下能有效地减少各构件承受的弯矩和剪力，改善整体受力性能。由于钢管混凝土桥墩的构件截面尺寸减小和混凝土减量化，减少了混凝土收缩徐变；此外钢管混凝土构件具有良好的力学性能和施工简捷性，可拼装施工和缩短施工周期。因此，该桥型在我国西部山区已经推广应用，例如四川省雅西高速公路段上的干海子特大桥。

国内学者陆续对该类新型梁桥结构开展了相应的试验研究和理论分析。在试验研究方面，福州大学吴庆雄、陈宝春等以干海子大桥为研究对象，制作了两跨钢管混凝土组合桁梁-格构式墩模型，利用地震模拟振动台台阵系统，进行了该轻型桥梁的抗震性能试验[2]。有限元理论分析方面，西南交通大学张翀等以钢管混凝土桁架梁桥地震反应为切入点，对干海子大桥第一联十一跨钢管混凝土桁架梁桥进行自振频率和振型分析[3]。福州大学黄育凡等以干海子大桥为工程背景，开展了钢管混凝土桁梁-格构式高墩连续梁桥的非线性地震响应数值分析[4]。

（2）闭合开关，无论怎样移动滑动变阻器，小灯泡不亮，发现电流表无示数，电压表示数接近电源电压，说明电压表并联部分断路，所以故障可能是小灯泡断路。

赵永飞选取干海子大桥第一联为研究对象，开展了曲线多跨钢管混凝土桁梁桥地震反应特性分析研究。结果表明，曲线多跨钢管混凝土桁架梁桥与直桥相比，地震响应较为复杂；设计时应充分考虑多个方向的地震动组合以确定桥跨最不利受力状况[5]。王海良以干海子沟特大桥为研究对象，建立有限元分析模型，进行结构增量动力分析，建立了基于联合失效概率分析法，形成了桥梁系统易损性曲线[6]。福建工程学院欧智菁、林建茂等建立钢管混凝土格构式高墩连续桁梁桥有限元计算模型，对直桥和弯桥弹性设计阶段结构参数的抗震适用性进行了研究，优化后的结构改善了地震作用下的内力分布，有效提高桥梁抗震性能[7]。

综上所述，该类新型组合结构的抗震性能的研究主要集中在实桥方面，采用弹性反应普法、线性时程法、非线性动力法等对钢管混凝土格构式高墩连续桁梁桥开展动力性能研究，分析了该类组合桥梁非线性地震响应特征和该类组合结构破坏机理。而关于这类结构的抗震设计方面的文献目前仅针对弹性阶段的研究较为突出，为此，本文以干海子大桥为依托工程，研究E2地震作用下，钢管混凝土格构式连续梁桥的主要设计参数对桥梁结构抗震性能的影响规律进行分析和模拟，同时参考同类桥梁的计算结果进行对比验证，为钢管混凝土格构式高墩连续梁桥的弹塑性抗震设计提供理论支撑和借鉴。

1 有限元建模方法

1.1 工程概况

四川雅西高速干海子大桥是京昆高速控制性工程之一，同时也是一座极具代表性的桥梁——世界上第一座采用钢管混凝土的桥梁。该桥地处强震区，桥梁跨越山谷，墩高且梁长，又有纵向坡道和弯曲道路，为施工简便、减小地震作用力和降低造价，采用多跨多联形式，并采用钢管混凝土高墩(最高桥墩高107 m)、钢管混凝土组合式桁梁的轻型结构，较钢筋混凝土连续梁桥的结构自重轻，可形成稳定性高、动力特性好、抗震能力强、使用期间变形协调的结构体系。桥梁总长1 811 m,分为三联：第一联 40.7 m+9×44.5 m+40.7 m，第二联45.1 m+3×44.5 m+11×62.5 m+3×44.5 m+45.1 m，第三联45.1 m+4×44.5 m+45.1 m。

2.教师在处理同伴交往策略的过程中，应注意到幼儿的个体差异。教师应该根据这些幼儿的各自的情况，进行有针对性地指导、培养，使他们在模仿能力极强的时期，提升自己的交往能力。

1.2 有限元建模方法

E2地震作用下，固定墩墩顶截面仍然为主梁弯矩最大值，桥墩弯矩与轴力控制截面在固定墩墩底，不同梁墩刚度比值参数下的桥墩控制截面指标峰值见表1，各指标变化曲线见图2～5所示。由表1和图2可知，随着梁墩刚度比R1的增大，格构墩弯矩与极限弯矩之比(M/Mu)和位移率Δ/H均逐渐减小，控制截面弯矩-曲率曲线斜率逐渐变大，弯矩峰值有不同程度增加，刚度退化下降幅值变缓，曲率延性系数μφ有小幅提升。当R1由2.2增大到17.2时，曲率延性系数μφ增大16.9%。分析上述规律，主要是因为随着墩高的增加，梁墩刚度比值R1增大，格构墩越柔，耗散地震能量越多，使得结构的地震响应值减小，后期非线性变形能力提高，结构延性越好。根据《公路钢管混凝土桥梁设计与施工指南》[12]规定：桥墩位移率Δ/H不得大于1/50。综合考虑各指标影响，建议实桥工程中梁墩刚度比值在7.2≤R1≤17.2范围，有利于提高桥墩的延性性能。

图1 钢管混凝土格构柱肢纤维铰示意图Fig.1 Schematic diagram of fiber hinge of CFST latticed column

钢材本构采用双折线本构模型[9]，核心约束混凝土采用Kent&Park本构模型[10]，可考虑钢管对内部核心混凝土的约束效应。干海子大桥位于8度设防烈度区，桥址为Ⅱ类场地，选取El-Centro波作为特征地震动，持续时间53 s，时间间隔0.02 s， E2地震波加速度峰值为0.26g。标准模型如图所示，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软件构造所做对称直线连续梁桥，全桥均采用梁单元模拟，分别采用不同的弹簧刚度值来模拟5#墩固定支座(GPZ-12.5GD)和6#墩盆式支座(YLXZ-1000×12)阻尼。主梁两端竖向、横向位移和绕Y、Z轴转动均受约束，释放纵向约束，墩底用固结形式约束所有方向的自由度。

2 主要设计参数的抗震适用性

由表2可知，轴压比是影响罕遇地震作用下结构内部分布的重要参数。当轴压比n从0.1增大到0.25时，极限弯矩Mu降低了25.9%；格构墩弯矩值M和弯矩比M/Mu分别增大了5.6%和40%；墩顶位移变形量Δ和位移率Δ/H增大了47.8%。当轴压比值大于0.25时，位移率为1/52～1/35，均超出抗震设计规范1/50容许限值。

2.1 梁墩刚度比

同时，为匹配新设计结构带来的装配尺寸的差异，为确保与外部连接部件的可靠连接，对套管也进行了重新选型，新旧套管参数对比如下所示(新套管的所有电气性能参数均不低于原套管)：BFW-46/2000，爬电距离 1255mm。

(1)

式(1)中：EGIG为主梁纵向抗弯刚度;L为全桥长度;EPIP为桥墩抗弯刚度;Hi为第i个桥墩的墩高。

采用纤维模型法。大量的震后统计数据表明，桥梁结构的震害破坏往往出现在下部桥墩结构，而主梁在地震作用破坏过程中仍处于弹性工作状态，因此进行弹塑性时程分析计算时，上部钢管混凝土桁架梁均采用弹性单元模拟。文献[8]对变截面钢管混凝土格构柱进行拟静力试验，结果表明，格构墩柱肢钢管比缀管钢材先发生裂纹和屈服，故仅对下部钢管混凝土格构墩柱肢赋予纤维模型铰，如图1。

表1 不同梁墩刚度比结果对比

图2 控制截面弯矩-曲率曲线Fig.2 Moment-curvature curve of control section

2.2 轴压比

通过改变上部结构恒载，将轴压比(n)分别设为0.1、0.15、0.2、0.25、0.3和0.35，其余参数与标准模型一致。在E2地震荷载作用下，不同轴压比值的地震响应峰值及曲线图见表2和图3。

表2 不同轴压比的计算结果对比

图3 桥墩截面弯矩-曲率曲线Fig.3 Moment curvature curve of the pier section

根据文献[11]研究成果，梁墩刚度比、轴压比、墩高(长细比)和柱肢截面含钢率等是影响钢管混凝土格构式高墩连续桁梁桥弹性抗震性能的重要参数。因此，本节探讨罕遇地震(E2地震)作用下结构的弹塑性抗震设计时，仍选择上述主要设计参数，研究其抗震适用性。

梁墩刚度比对桥梁结构的抗震性能影响很大，本节通过调整格构墩高(18.5～92 m)来改变梁墩刚度比值(2.2～17.2)，计算方法如式1所示,其余参数与标准模型一致。

由图3可以看出，当轴压比n≤0.2时，控制截面弯矩-曲率曲线较为接近；当n>0.2后，曲线斜率和弯矩峰值明显减小，刚度退化率急剧增加。结合表2可知，钢管混凝土格构墩的延性受轴压比影响很大，当n从0.1增大到0.25时，桥墩控制截面的曲率延性系数μφ降低了20.0%。分析其原因，主要是因为随着轴压比的增大，地震力加强，桥墩弯矩和轴力响应增大，在一定程度上限值了格构墩的水平位移和变形，从而降低了桥墩的延性。因此同类桥梁工程设计中，应严格控制轴压比值的大小(0.1～0.2较为适宜)，以满足结构安全使用性能。

北平协和医院，1921年9月8日-1922年2月16日，1922年7月11日-1923年9月8日，1926年7月1日-1927年2月28日。

2.3 柱肢截面含钢率

由图5可知，设置减隔震装置后，曲率延性系数的隔震率在1.7%～41.4%之间变化。在抗震设防烈度为6度、7度和8度时，梁墩刚度比值R1越小，曲率延性系数μφ隔震率越大，隔震效果越明显；当设防烈度为9度区时，梁墩刚度比越大，隔震效果越好。

表3 不同含钢率的计算结果对比

图4 控制截面弯矩-曲率曲线Fig.4 Moment curvature curve of the control section

2.4 减隔震装置

鉴于钢管混凝土格构式高墩连续梁桥结构周期长，选择橡胶支座+粘滞阻尼器装置。为了探究减隔震装置对该新型梁桥结构体系的影响规律，分别在不同的梁墩刚度比值和设防烈度等级双参数下做地震响应对比分析。引入隔震率概念来评价隔震效果，其计算公式如式(2)[13]，隔震率计算结果对比曲线见图5。

隔震率=

除此之外，对于进行相关技术操作的专业人员而言，是严禁在未进行相关培训的情况下进行一体机操作的。专业人员在进行操作和使用之前，必须要对一体机进行完善的预设，并且建立相关的管理机制和监控体制，并且以此为基础，来对一体机的稳定运行作出保障。另外，在进行一体机的使用过程中，还要对其进行合理的配置规划和资源调配，结合实际的情况，来对一体机的资源进行较为针对性的资源配比，这样可以充分的使一体机的运行环境良好且稳定，除了能保证一体机不会损坏之外，也可以进一步的提升其工作效率，尽可能的加快信息传输的速度。

(2)

图5 曲率延性系数μφ隔震率Fig.5 Curvature ductility coefficient μφ isolation rate

在顺桥向E2地震作用下，不同柱肢截面含钢率的桥型地震响应峰值及各个指标数值列于表3，变化曲线如图4所示。

3 抗震设计优化实例验证

采用延性抗震设计理念，对标准模型进行优化设计，参数见表4。

将控制因子f乘以直接信任DTi,j(t)便可对开关攻击节点的信任值进行控制,且对正常节点造成的影响比较小,则直接信任DTi,j(t)的计算公式更新如下:

表4 优化模型与标准模型参数对比

Tab.4 Comparison of parameters between the optimized model and the standard model

在罕遇地震作用下，模型优化前后结构的梁墩控制截面响应峰值对比结果见表5和图6-8。

表5 优化前后各指标响应峰值对比结果

Tab.5 Comparison results of response peaks for each index before and after optimization

图6 优化前后梁、墩弯矩值对比Fig.6 Comparison of bending moment of beam and pier before and after optimization

图7 优化前后桥墩轴力、剪力对比Fig.7 Comparison of axial force and shear force before and after optimization

图8 优化前后桥墩位移时程对比Fig.8 Time history comparison of the piers’ displacementbefore and after optimization

由表5和图6可看出，在E2地震作用下，优化后的实桥结构上部主梁弯矩值减小了32.7%；格构墩控制截面的弯矩、轴力和剪力值分别减小了23.5%、39.3%、15.4%和32.5%；格构墩控制截面的曲率延性系数值提高了39.1%。由此可知，优化后的实桥结构可显著降低结构的地震响应值，改善桥墩的延性性能。

4 结论

1)梁墩刚度比值、轴压比和柱肢截面含钢率是影响钢管混凝土格构式高墩连续桁梁桥弹塑性抗震性能的重要参数。随着梁墩刚度比的增大、轴压比和含钢率的减小，钢管混凝土格构墩的延性逐渐提高，抗震性能越好。

结合工程实践经验，针对于工期要求高的前提下，采用三轴式摊铺机进行水泥混凝土路面施工具有重要意义。文章通过结合某一高速公路施工建设项目进行水泥混凝土路面修复施工，鉴于公路地处交通要塞处，为了能有效提高施工效率，水泥混凝土路面施工中采用到三轴式摊铺机。路面施工采用三轴式摊铺机，对整个工艺环节，如制作、安装模板、混凝土拌和、混凝土运输与摊铺、滚动、振动及整平等施工均采取严格控制，为同类工程提供参考借鉴。

2)不同设防烈度下，减隔震支座对格构墩的隔震效果有一定差异。抗震设防烈度为6度～8度时，梁墩刚度比值R1越小，曲率延性系数μφ的隔震率越大，隔震效果越明显；设防烈度为9度时，梁墩刚度比越大，隔震效果越好。

3)建议钢管混凝土格构式高墩连续桁梁桥结构设计时，梁墩刚度比选择7.2～17.2之间；轴压比控制在0.1～0.2范围内；柱肢截面含钢率选择在4%～11%较为合理。

4)根据本文建议的设计参数取值范围，对钢管混凝土格构式高墩连续桁梁桥进行抗震优化设计，优化后的计算模型与实桥相比，可有效降低罕遇地震作用下的响应值，改善内力分布，从而有效提升结构整体抗震性能。