设缝双肢墩曲线刚构桥抗震性能研究★

赵怡彬 唐必刚 钟 卫

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004; 2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410000)

1 概述

为了实现线路的转向，匝道桥上一般需要采用曲线桥梁，并且由于城市空间的限制，曲率半径越来越小，目前曲线桥梁的最小半径仅为25 m，为武汉新火车站站前高架桥东匝道桥[1,2]。曲线桥梁主要采用连续梁和刚构桥形式，但小半径曲线梁桥普遍存在箱梁横移、主梁扭转、爬移及结构抗震性能差等安全问题[3]；曲线刚构桥桥形优美，施工方便，受力性能良好，但纵向变形对结构影响较大。为适应刚构桥主梁温度变形、混凝土收缩徐变等引起的纵向位移，需采用水平抗推刚度较小的柔性墩，常见的有整体墩和双肢墩这两种下构形式[4]：双肢墩可用于上部结构跨径较大，墩身较矮的情况，但其墩身及其基础占用空间较大，结构布置较为复杂，造价较高，如虎门大桥辅航道桥的双肢墩间距为9 m；整体墩结构简约，造型美观，但因刚度较大，不适用于矮墩的情况。

为兼顾墩身的轻巧美观和纵向抗推柔度，中南林业科技大学王解军教授提出了一种可适用于矮墩的设缝双肢墩，并开展了一系列的静力研究[5-8]。设缝双肢墩外形与整体墩保持一致，但墩身从墩顶至墩底设置一道约5 cm宽的横缝，形成双肢墩，缝内填充弹性橡胶板，如图1所示。

国内对整体式桥墩和常规双肢墩的抗震性能开展了较多的研究，指出了配箍率、剪跨比、截面形式等对桥墩的抗震性能有较大的影响[9-11]，但鲜少见到关于这种新型设缝双肢墩的动力特性和抗震性能评估的文献。

本文将以某拟建公路桥梁为例，采用ANSYS软件，建立有限元模型，考察采用设缝双肢墩的曲线刚构桥的动力特性，并与常规的曲线梁桥、采用整体墩的曲线刚构桥、采用双肢墩的曲线刚构桥进行比较，以评估其抗震性能。

2 工程概况

某拟建公路桥梁位于云南省。该桥位于圆曲线上，路线中心线半径R=70 m，桥梁中心跨径L=25 m。上部结构采用普通钢筋混凝土箱梁，梁宽8.7 m，梁高1.8 m，具体构造如图2，图3所示；0号及3号桥台均采用重力式U形桥台，1号、2号桥墩墩高为10.0 m，墩梁固结。桥址处地震动峰值加速度为0.20g，特征周期为0.40 s，相应的地震基本烈度为8度。

3 桥梁模型简介

本文采用大型通用有限元软件ANSYS，建立有限元模型：根据拟建桥梁的实际构造模拟上部结构；0号桥台及3号桥台用铰支座模拟；墩身截面分别采用设缝双肢墩(见图4a))、连续梁整体墩(见图4b))、墩梁固结的整体墩(见图4c))、常规双肢墩(见图4d))，承台底固结。共建立4组模型，如图5a)～图5d)所示。主梁、桥墩、承台均采用Solid45单元模拟，每个模型单元数接近8万个。

4 计算结果分析

4.1 动力特性结果

本文采用ANSYS中提供的子空间法对结构进行动力特性分析。子空间法采用子空间迭代技术和广义的Jacobi迭代算法。该方法采用完整的刚度矩阵和质量矩阵，因而具有较高的计算精度，较适合大型结构的动力特性分析。

经过ANSYS计算，当采用不同桥墩形式时，桥梁成桥状态下前10阶基本振型和自振周期如表1，图6所示。

表1 四种桥墩形式结构前10阶自振频率及振型特征

从表1,图6可以看出，4组有限元模型的前10阶振型中，前2阶振型均是桥墩的变形，后8阶振型为主梁的弯曲或扭转变形，虽然桥墩参与的阶次少，但主要出现在低阶振型中，振型参与系数达到60%，这也说明类似桥梁结构中，在地震作用下，桥墩是最为薄弱的构件，桥墩的侧向弯曲、剪切失效是地震作用下桥墩最为常见的破坏形式。设缝双肢墩与双肢墩刚构桥前10阶振型基本一致，频率值较为接近，可见二者的结构刚度比较接近，因而抵抗地震作用的能力也较为接近。从表1，图6中还可以看出，在低阶振型中，整体墩连续梁、设缝双肢墩刚构桥、双肢墩刚构桥、独柱墩刚构桥自振频率依次增大，说明桥墩的刚度逐渐增大，设缝双肢墩与常规双肢墩刚度相当，都具有较好的柔性，而整体墩的刚度最大。

4.2 地震加速度反应谱分析结果

据GB 18306—2015中国地震烈度区划图，项目所在地(云南省)场址50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.2g，地震动反应谱特征周期Tg为0.4 s，对应地震基本烈度为8度。本项目属于C类桥梁，E1地震作用下抗震重要性系数Ci为0.34，场地系数Cs取1.0，阻尼比ξ取0.05，阻尼比调整系数Cd取1.0。按规范[12]E1地震作用的反应谱曲线如图7所示，4种桥梁形式在E1地震作用下桥墩的应力云图如图8所示。

从图8可以看出，E1地震作用下，各类桥梁墩身的应力最大值多出现在墩底截面，墩身中部应力较小。提取墩底剪力及墩顶位移进行进一步的研究，如图9所示。

从图9中可看出整体墩刚构桥的墩底剪力最大，因此地震作用下整体墩较易发生剪切脆性破坏。连续梁桥的1号桥墩 和2号桥墩墩底剪力相差较大，这是因为1号墩顶设置了固定支座，2号墩顶设置滑动支座，因此1号桥墩受力明显大于2号桥墩。连续梁的墩底剪力略小，但墩顶发生一定的纵向位移后主梁易产生落梁破坏，因此需考虑地震作用的曲线桥梁不推荐采用连续梁桥。设缝双肢墩刚构桥及常规双肢墩刚构桥的1号、2号桥墩受力比较均衡，且剪力值较整体墩约减小29%，因此地震作用下，设缝双肢墩和常规双肢墩性能较好。考虑到设缝双肢墩外形美观、施工方便等优点，设缝双肢墩是一种可适用于曲线刚构桥，并且抗震性能优异的桥墩形式。

5 结论

通过比较4种采用不同桥墩形式的曲线桥梁(设缝双肢墩刚构桥、整体墩连续梁桥、整体墩刚构桥、常规双肢墩刚构桥)的动力特性和地震作用下的剪力、位移，得到以下结论：

1)4种曲线桥梁的低阶振型均表现为桥墩的变形，因此桥墩是桥梁抗震的关键节点，需着重考虑。

2)设缝双肢墩的动力特性(自振频率、振型)与常规双肢墩比较接近，因此设缝双肢墩的刚度与常规双肢墩较接近，也具有较好的柔性。

3)在E1地震作用下，4种桥梁模型中，设缝双肢墩和常规双肢墩的墩底剪力比较均衡，受力比较合理，并结合设缝双肢墩布置简单、施工方便的优点，因此设缝双肢墩是一种抗震性能较好，可用于曲线刚构桥的新型桥墩形式。