系梁设置对双肢薄壁墩抗震性能影响的探讨

黄超

摘 要：本文以某高速公路高墩连续刚构桥为工程背景，通过建模分析了主桥双薄壁墩在系梁的不同设置情况下结构的地震响应规律，总结了相关经验，给出此类桥梁结构主墩合理的系梁布置方式和抗震设计建议。

关键词：曲线连续刚构桥;系梁;抗震设计

中图分类号：U442.55 文献标识码：A

0 引言

近年来，随着国内基础建设行业的迅速发展和规模不断扩大，桥梁建设行业在设计方面也有着丰富的经验积累，且我国地域辽阔，尤其是西北、西南片区地形地势非常复杂，在高速公路跨越大峡谷、深沟时时常需布设跨径较大的连续刚构桥跨越，这也使桥梁的在高墩大跨方面发展迅猛。目前我们在进行这种高墩大跨连续刚构桥的主墩设计时采用双肢薄壁墩形式的情况较为常见，且此类桥墩往往墩高超过40 m，属于非常规桥墩结构。然而我们桥梁设计人员在进行对此类桥的抗震设计时常常侧重点在主墩的一般构造、配筋及延性设计方面，对双肢薄壁墩桥墩系梁的合理设计往往容易忽略，且现行规范仅仅是对墩高低于40 m的桥梁的桥墩抗震设计进行了相应要求，对于这种非规则高墩的抗震设计也未给出明确要求，如类似这种双肢薄壁墩的系梁设置情况，因此本文就此方面展开研究，并总结了相关经验，给出此类桥梁结构主墩合理的系梁布置方式和抗震设计建议，希望能够给桥梁设计人员以后进行类似桥梁设计时以参考。

1 工程概况

本文所计算桥梁为某云南省高速公路上为跨越山间大沟而布设的连续刚构桥，主桥部分线位位于圆曲线上（曲线半径1 050 m），其主桥部分跨径组合为（50+90+50）m。主梁截面为单箱双室直腹板截面，梁高及底板厚度则采用常规的二次抛物线变化。主梁桥面宽1 275 cm，支点处梁高为550 cm，合拢段梁高为260 cm。主桥双肢薄壁墩的两肢之间布置系梁，墩高分别为75 m和66.5 m。桥位所处地区的地震基本烈度为7度，本项目此桥按8度设防。

2 有限元分析

本桥采用midas civil进行建模计算，桩基础与桩周土之间的边界条件在程序中通过土弹簧进行模拟，主墩与箱梁0号块之间的模拟采用程序中的弹性连接（刚性）。

桩基础由于受到下部结构传递的荷载作用会有侧向位移的趋势，从而对周围土体有一个侧向挤压力，同时土体则对桩基产生反向抗力，此处分析时将每层土体假设为理想弹性体，即受外部作用后其形变是线性的。这里我们根据E.Winkler对土抗力与其压缩形变量成正比的假设来计算各土层的刚度，则每个土层水平抗力满足下式：

3 系梁布置影响

本模型分别建立八种模型进行分析，即：无系梁、1道系梁、2道系梁、3道系梁，系梁均沿桥墩均匀布置，每种情况按两种边界条件考虑：墩底固结和桩-土之间土弹簧。

3.1 自振特性分析

结构前几阶振型是结构在受外部作用下较为容易出现的基本振型，它体现结构在地震作用下反应基本情况，此处给出本桥特征值分析的前8阶动力特性结果进行分析，主桥模型在不同曲率半径和边界条件下的动力特性分析结果情况如表1和表2所示。

从表1～2可以看出：

（1）从上表前8阶振型数据可以看出，系梁布置变化对结构的振动型式有一定影响。对于墩底固结模型，有无布置系梁对高阶（五阶之后）振型影响较大，但布置系梁后振型对系梁布置道数并不敏感，其振型基本相近;对于桩土作用模型，不设置系梁和设置1道系梁结构的振型基本相近，设置2道系梁和设置3道系梁结构的振型相近。

（2）从不布置柱间系梁到布置3道系梁过程中，对于墩底固结模型，其一阶振动频率从0.262 Hz增加到0.5 Hz;对于桩土作用模型，其一阶纵向振动频率由0.252 Hz增加到0.388 Hz，说明系梁的设置增加了桥墩的刚度。

（3）与墩底固结模型相比，考虑桩土作用后，各模型的基频均有所减小。

3.2 地震响应分析

3.2.1 纵向地震响应分析

在纵向激励下，不同系梁设置的情况引起桥墩地震响应的内力和位移的变化如图1～图4。

根据以上内力、位移计算结果，可分析得以下结果：

（1）对于墩底纵向弯矩，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩底纵向弯矩增加了14.4%。考虑桩土作用时，墩底纵向弯矩随系梁的增设而增加了6.5%。

（2）对于墩底剪力，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩底剪力增加了30.2%。而考虑桩土作用后，随系梁设置道数的增加墩底纵向剪力增加了33.7%。

（3）对于墩底轴力，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩底轴力增加了45%。考虑桩-土相互作用后，墩底轴力随系梁设置道数的增加而增加了64.5%，轴力变化较为显著。

（4）对于墩底位移，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩顶纵向位移减小了47.2%。考虑桩土作用后，墩顶的纵向位移值随系梁的增设而增加了29.3%。

由以上桥墩内力及位移计算结果可以看出：对于两种边界条件下的计算模型，桥墩在纵向地震下的响应对系梁的设置道数较为敏感，随着系梁的设置数量的增加，桥墩的弯矩、剪力及轴力均有不同程度的增加，而位移有所变小。

3.2.2 横向地震响应分析

在横向激励下，不同系梁设置的情况引起桥墩地震响应的内力和位移的变化如图5～图8：

根据以上内力、位移计算结果，可分析得以下结果：

（1）对于墩底横向弯矩，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩底横向弯矩随之增加了3.1%。考虑桩-土相互作用后，墩底横向弯矩随系梁设置道数的增加而增加了3.5%，变化并不明显。

（2）对墩底剪力来说，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩底剪力增加了9.5%。在考虑桩-土相互作用后，随着系梁设置道数的增加墩底剪力增加了9.7%。

（3）對墩底轴力来说，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩底轴力增加了42.3%。在考虑桩-土相互作用后，随着系梁设置道数的增加而墩底轴力增加35.1%，轴力变化较为明显。

（4）对墩底位移来说，墩底固结时，在系梁设置道数增加情况下墩顶的横桥向位移减小了1.26%。考虑桩-土相互作用后，墩顶的横桥向位移随着系梁设置道数的减小了1.8%，位移变化很小，说明系梁的设置对横向刚度影响较小。

综合上述分析结果可以得出：对于基础边界条件为墩底固结和考虑桩土之间相互作用的两种情形，沿桥墩均布的系梁数量变化对桥墩在纵向地震作用下的内力、位移结果影响较大，即随着柱间均布系梁数量的增加，主墩的内力（弯矩、剪力及轴力）增大较为明显，而墩顶位移有所降低;在横桥向地震作用下，考虑墩底固结和考虑桩-土相互作用两种情况时，随着设置系梁数量的增加，桥墩的内力和位移前后变化均较小，内力最大增幅也未超过10%，仅轴力变化较大，如墩底固结时，随着系梁设置道数的增加墩底轴力的增幅最大达42.3%。

4 结论

通过结构动力特性分析及地震荷载作用下墩底内力和墩顶位移的计算可知：

（1）随着这种双支薄壁墩的主墩系梁设置道数的增加，结构自振频率增大，这表明系梁的增加会增加结构的整体刚度，且桥梁刚度的增加对高墩高阶振型的影响较为明显。根据主墩内力及位移计算结果发现，主墩在纵向桥地震激励下的内力增加较为明显，横桥向除轴力外变化并不明显，说明系梁设置的增加对结构的纵向刚度的增加较为明显，对其横向刚度增加的贡献有限，对轴力影响较大。

（2）鉴于主墩系梁设置的数量对纵向地震下主墩内力影响较大，建议我们在进行桥墩抗震设计时对于系梁的布置应重点关注纵向地震的桥墩内力变化，综合考虑系梁设置对结构的有利和不利影响，采用合适的系梁设置数量、设置位置及系梁刚度，充分利用系梁的有利影响，降低其对结构的不利影响，如桥墩抗剪、抗弯等，在满足桥墩抗震要求情况下，可适当减少系梁设置。

参考文献：

[1]兰燕.桥墩造型及其抗震性能研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]宋一凡.公路桥梁动力学[M].北京：人民交通出版社，2000.