空心与双肢组合式桥墩抗震性能研究

陈 飞

（重庆交通大学，重庆 400074）

随着我国经济的高速发展，我国的公路交通建设取得了突出成果，相应的桥梁建设也进入了新的发展期。在修建大跨度桥梁时，往往会因为地形或环境要求采用高桥墩，而高桥墩大跨径桥梁也因为自身特有优势而被广泛应用。

在第二次世界大战之后，高墩大跨径桥梁才逐步发展应用起来，通常高墩桥梁一般应用在跨峡谷或深水处。我国的高墩大跨桥梁是从20 世纪70 年代开始发展起来的，虽然起步较晚但是发展十分迅速，墩高达100m 的南昆铁路喜旧溪大桥是当时中国修建的世界最高墩铁路桥。20 世纪70 年代以来，我国就修建了多座空心高墩桥，空心高墩能够有效减小墩身的自重并提高桥梁的抗震性能。双肢墩由于其出色的受力性能也广受国内外学者好评。地震灾害古往今来时有发生，大地震的发生往往会给人民生命财产造成不可估量的损失，大量地震灾害调查表明：地震中许多桥梁的损毁都是以下部桥墩为主，故桥梁下部墩台形式设计的合理与否关系到整座桥梁的质量好坏。正因如此，对于不同形式的高墩抗震性能分析是十分重要的。文章通过对一种双肢与空心墩组合形式桥墩的抗震性能研究，从而说明该组合形式高墩比其他形式高墩抗震性能的优越性，为同类桥梁设计提供参考。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

某双塔中央索面钢混组合结构高墩大跨度斜拉桥，边跨采用混凝土箱梁，中跨为钢箱梁结构，跨径为44.2+2×50+55.8+520+55.8+2×50+44.2=920m。钢箱梁箱梁外观与钢箱梁协调一致，梁中心线处梁高3.525m，顶板宽27.5m，风嘴宽度为1.5m，箱底板宽26.11m，全宽30.5m，索塔处塔梁固结。全桥共有6 个辅助墩、1 个过渡墩、1 个桥台和拉索64 对。整体布置如图1 所示。

桥梁主塔墩高为169m，其中下部柱墩处采用双肢+空心墩设计，双肢薄壁段高28m，空心墩段高39m。其截面构造如图2 所示。

1.2 模型建立

采用Midas 有限元软件建立全桥分析模型，分别建立双肢薄壁+空心墩模型与空心墩模型，对两者进行地震作用下的受力对比分析。为充分模拟桥梁在地震作用下的受力情况，建立模型时考虑桩土相互作用的影响，土刚度用规范中给定的“m”法计算；桥梁的主梁、主塔墩和辅助墩均采用梁单元模拟，拉索用桁架单元模拟；拉索与主梁和桥塔采用刚性连接；根据设计要求，塔墩梁处采用刚性连接模拟桥梁的固结体系。模型中混凝土主梁采用C55 混凝土，主塔墩采用C50 混凝土，辅助墩采用C40 混凝土，各墩底桩基础均采用C35 混凝土。中跨的钢箱梁型号为Q345C。二期恒载与桥面铺装以均布荷载的形式施加在主梁上。两种有限元模型如图3、图4 所示。

在进行抗震性能分析时，采用时程分析法中的振型叠加法，对桥梁进行E2 地震作用下（50 年超越概率2%）进行分析，阻尼输入方式为振型阻尼，阻尼比取0.03。地震波输入采用人工拟合波，人工拟合的地震波需要与实际场地地震特性相符合，故进行地震波拟合时应考虑地震波的3 要素：频谱特性、有效峰值和持续时间。根据以上要求拟合出3 条符合条件的地震波，并取3 条地震波计算结果的最大值进行分析。用时程法分析时，地震波输入方向为纵向+竖向和横向+竖向。其中，竖向地震作用按规范《公路桥梁抗震细则中》中规定的取水平地震波的0.65 倍。

图1 白沙大桥整体布置图（单位：cm）

图2 桥梁主墩构造

图3 双肢薄壁+空心墩模型

图4 空心墩模型

2 结果分析

对模型进行运行分析，分别提取两模型主墩底内力、塔底内力和塔顶位移结果进行对比分析。

2.1 主塔墩内力

根据桥塔墩内力计算结果，提取数据制成表格，如表1 所示。

表1 桥塔墩内力对比

根据上述结果可以得出：在地震动输入方向为纵向+竖向时，组合式桥墩在主塔底、主墩顶和主墩底截面处的内力明显小于空心式桥墩内力，其相应截面处弯矩减小幅度分别为25.5%、14.3%、17.4%，其相应截面处剪力减小幅度分别为19.6%、18.2%、12.1%；在地震动输入方向为横向+竖向时，组合式桥墩在主塔底、主墩顶和主墩底截面处的内力略微的小于空心式桥墩内力，其相应截面处弯矩减小幅度分别为2.5%、3.1%、2.5%，其相应截面处剪力减小幅度分别为1.6%、3.6%、2.1%。造成以上差异的原因是由于组合式桥墩在结构形式上发生了较大的改变，使其在等效的截面形式下显著提升了墩身的抗弯刚度，使墩身的受力分布更加合理。

2.2 塔墩位移

提取两种模型的塔顶、墩顶位移数据进行对比分析，如表2 所示。

表2 桥塔墩顶位移

由上表结果可知：桥梁在两种方向地震动输入情况下所得的塔顶和墩顶位移结果差值不大，最大差别发生在顺向+竖向地震动方向时主塔顶的位移，差值比为9.6%，二者的位移误差在实际工程中均属于可接受范围。

3 结束语

通过建立两种形式的桥墩模型，并对二者内力和位移结果对比分析可得出以下结论：文章的组合式桥墩的内力在纵向+竖向地震作用下要远小于空心式桥墩，但二者内力在横向+竖向地震作用下差别不大，说明这种组合式桥墩抗震性能是要优于空心式桥墩的。二者在两种方向的地震作用下其关键截面处位移变形差异不大，说明组合式桥墩在相同变形下其内力要优于空心墩。总而言之，组合式桥墩抗震性能要优于传统的空心式桥墩，并且这种形式桥墩还能在保证结构抗震性能基础上减少材料用量，降低工程造价。