桥墩选型对连续刚构桥地震响应的影响

李强强 张 恒

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

0 引言

连续刚构桥是将墩身与主梁固结成一体的桥梁。由于墩身与主梁形成刚架，承受上部结构荷载时，主梁受力合理。连续刚构桥一般位于深山峡谷之中，且跨越能力强，需要一定的抗震能力，而桥梁结构在地震中的震害主要发生在桥梁下部结构，有不少学者对此作了一些研究。宁丹等运用反应谱法分析了墩身高差对大跨度连续刚构桥的地震响应的影响；卢泽睿等研究了不同地震激励方向对双薄壁连续刚构桥抗震性能的影响；何其宗等研究了同时考虑冻水压力和桩—土效应时的地震响应；张泽宇等运用大型有限元分析软件Midas Civil分析了墩高对大跨度连续刚构桥地震响应的影响；台玉杰等采用有限元分析法研究了在地震作用下不同斜腿夹角的连续刚构桥的结构响应规律；李宁等采用地震反应谱法分析了在地震作用下连续刚构桥墩身倾角对结构位移及内力的影响规律；张清旭等采用有限元分析法，探究了横系梁个数对高墩大跨连续刚构桥自振特性的影响；唐杨通过改变单薄壁墩的截面形式和截面尺寸来研究了桥梁地震响应[3]。综上所述，虽然业内学者对高墩大跨连续刚构桥的研究已取得丰硕的成果，但关于桥梁墩身截面尺寸对于连续刚构桥的地震响应的影响研究成果较少。因此，本文基于陕西某连续刚构公路桥，分别控制墩截面纵向刚度和横向刚度，对3种墩截面形式的连续刚构桥进行自振特性分析以及地震响应分析。

1 工程概况

本文基于陕西某连续刚构公路桥建立模型进行分析，主桥上部结构为(65+120+65)m预应力混凝土连续刚构，由单箱单室箱形断面组成。箱梁根部高度7.2 m，跨中梁高3.0 m，其间梁高按1.8次抛物线变化。箱梁顶板宽12.90 m，底板宽7.0 m，顶板厚0.30 m，底板厚由跨中 0.32 m按1.8次抛物线变化至根部0.90 m，腹板厚跨中段为0.50 m、根部变为0.70 m，渐变段长7.0 m。下部结构采用矩形空心墩，6号墩高为65 m，7号墩高为84 m，主桥上部结构采用C50混凝土，墩身采用C30混凝土，该桥的结构布置图如图1所示。

为了研究不同墩型对连续刚构桥的自振特性与地震响应，拟采用以下墩型(如图2所示)。

其中，工况一为原桥截面，工况二，三分别为与原桥墩截面纵向刚度和横向刚度相同下的双肢墩截面，为简便惯性矩计算时忽略倒角，各墩参数如表1所示。

表1 不同墩下的截面参数

2 计算模型

采用Midas Civil有限元分析软件建立矩形空心墩和双肢薄壁空心墩的整体模型(如图3所示)，X方向为顺桥向，Y方向为横桥向，为对比不同桥墩响应，保持桥梁上部结构不变，由于桥梁所处场地较好，模型不考虑桩土作用即采用墩底固结，左右边墩采用一般支撑模拟，主梁与墩顶采用刚性连接。

由《公路桥梁抗震设计细则》可知桥梁所处场地为Ⅱ类，桥梁抗震设防类别为B类，地震动峰值加速度为0.15g，抗震设防等级为8度。为保证地震动随机性，时程分析采用针对该桥场地的peer的3条地震动输入，并取计算结果最大值来分析，地震波沿着顺桥向和横桥向输入，不考虑行波效应，为便于比较不同桥墩响应，仅对弹性结果进行比较。时程函数之一如图4所示。

3 自振特性分析

结构自振频率计算是结构抗震计算的基础，结构自振频率取决于结构的质量与结构的刚度，本文使用多重Ritz向量法对不同工况下的连续刚构桥前十阶自振频率进行计算，计算结果如表2所示。

从表2中可以看出：

1)桥墩类型不同会影响结构动力特性，三种工况中，矩形薄壁墩基频最高，而双肢墩基频低，自振周期长，说明双肢墩有效降低结构刚度，延长了结构的自振周期，于抗震有利。

2)连续刚构桥一般受墩梁固结的影响，自振振型中墩柱横弯的同时会伴随主梁的横弯，墩柱纵弯的同时均通常会伴随有主梁竖向弯曲。

3)桥梁的前十阶振型中，前两阶振型分别为纵弯和横弯，后八阶振型以竖弯和横弯为主。所以此桥主振型为竖弯和横弯，因此此桥设计时还是要适当增加桥墩横向刚度。

表2 不同工况下连续刚构桥自振特性对比

4 桥梁地震反映分析

选择墩顶墩底和主梁跨中弯矩以及墩顶位移作为研究对象，为便于比较，双肢矩形空心墩位移取双肢平均值，弯矩取双肢之和，计算结果如表3所示。

表3 不同墩截面内力分析

从表3计算结果中可以看出：

1)双肢矩形空心墩的墩顶横向位移和纵向位移都大于矩形薄壁墩。

2)不论是保持纵向刚度相同还是横向刚度相同，采用双肢薄壁墩都可以明显减少墩顶弯矩和墩底弯矩，双肢对墩顶有“削峰”作用，有利于主梁受力。

3)无论是单肢墩还是双肢墩，对主梁跨中弯矩影响不大。

5 结语

1)双肢墩频率比单肢墩频率低，能够有效延长结构响应周期，使结构刚度能充分发挥其作用，降低结构响应。

2)桥墩刚度对桥梁受力有明显影响，桥墩选型时应综合考虑桥墩刚度，采用双肢墩可以减小墩顶弯矩，但是位移会稍稍增大，于本桥抗震而言，还是建议采用双肢薄壁墩。

3)本桥的两个桥墩不是等高，桥墩之间存在着一定的刚度差，刚度差的最优取值值得探讨。