桥墩类型对曲线连续刚构桥结构性能影响研究★

刘腾龙，孔 君，李 震 ，许梦旗 ，尹俊红

(1.中冶京诚工程技术有限公司,北京 100176; 2.河南大学土木建筑学院,河南 开封 475004)

复杂山区桥梁由于受地形条件限制,往往需要跨越较大的河流或峡谷,桥梁结构一般采用高墩、大跨的结构形式[1]。曲线连续刚构桥具有适应道路线形、行车舒顺、整体性好的优点,在山区高等级公路工程中得到广泛推广。

在曲线连续刚构桥的桥墩设计中,稳定性是需要关注的问题。在地震多发地区,进行桥墩选型时,也需考虑其抗震性能。同时,由于曲线刚构桥平面线形的不规则,在进行抗震研究时,有必要进行多维地震波输入[2]。王俏[3]针对组合形式桥墩,进行了弹性稳定分析,得到了组合式桥墩合理分界点的位置。鄢芳华、彭顺显[4]分析了不同主墩形式下连续刚构桥的受力特点,指出整体式空心矩形薄壁墩在承载力、稳定性、抗震性能等方面与组合式桥墩截面的桥墩形式相比较更具有优势,能够更好的适用于山区高墩连续刚构桥的主墩。王东升等[5]提出对于高墩大跨度变截面刚构桥,主梁抗震问题应引起重视。卢泽睿等[6]对不同地震激励方向的曲线连续刚构桥进行动力响应分析,指出高墩多跨曲线连续刚构桥的最不利地震输入方向并不是横桥向和纵桥向。

本文以某高速公路实际工程曲线连续刚构桥为对象,研究了不同类型的桥墩对连续刚构桥稳定性和抗震性能的影响,以期为以后桥梁工程中桥墩墩型的设计提供参考。

1 工程概况

以某高速公路工程桥梁为研究背景,其桥跨布置为65 m+120 m+65 m的预应力混凝土连续刚构桥,桥梁主墩为84.0 m。曲线桥平面位于半径为2 200 m的左偏圆曲线上。桥梁分幅设置,横断面12.75 m=0.5 m(防撞护栏)+11.75 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)。桥梁上部结构采用C55混凝土,采用单箱单室截面,按1.8次方抛物线梁高自跨中3.0 m过渡至墩顶7.3 m。

2 结构性能分析

2.1 稳定性分析

单肢空心薄壁墩截面尺寸为6.75 m×6 m,双肢空心薄壁墩截面尺寸为6.75 m×3 m,双肢间距6 m。主墩与主梁之间的连接方式采用刚接约束,主墩墩底完全固结。有限元模型如图1,图2所示。

2.1.1 悬臂施工阶段

两种桥墩最大悬臂阶段前五阶稳定性系数及失稳模态见表1。

表1 最大悬臂阶段稳定系数

分析知,最大悬臂状态下,单肢薄壁墩一阶稳定系数大于双肢薄壁墩的一阶稳定系数,相差4.7%;两种桥墩的截面横向刚度都大于截面纵向刚度,两墩的一阶失稳模态均表现为纵向侧倾;前三阶时单肢薄壁墩与双肢薄壁墩的失稳模态相同,三阶以后双肢薄壁墩的失稳模态均为纵向失稳,这是由于双肢薄壁墩的纵向刚度要比横向刚度小的多。两种桥墩的前五阶稳定系数都大于4,均满足稳定性要求[7-8]。

2.1.2 成桥阶段

两种桥墩主桥成桥阶段前五阶稳定系数和失稳模态见表2。

表2 成桥阶段稳定系数

由表2可知,在成桥阶段时,单肢薄壁墩前三阶的失稳模态较最大悬臂阶段时的失稳模态发生变化,前两阶变为双向侧倾,第一阶双向侧倾以纵向侧倾为主,第二阶双向侧倾以横向侧倾为主,第三阶变为横向弯曲,这说明成桥阶段桥墩的纵向刚度有所提高。单肢薄壁墩稳定系数较最大悬臂阶段有着大幅提高,为199%,双肢薄壁墩稳定系数较最大悬臂阶段提高17%,且单肢薄壁墩高于双肢薄壁墩的稳定性;单肢薄壁墩与双肢薄壁墩的稳定系数均大于最大悬臂阶段的稳定系数,是由于桥梁在合龙之后,结构由原来的静定结构转化为超静定结构,桥墩约束条件发生了改变,从而使得结构的稳定性提高。

2.1.3 曲率半径对桥梁稳定性的影响

以成桥阶段的连续刚构桥为研究对象,除曲率半径以外的各项参数不变,将曲率半径分别设置为2 200 m,2 000 m,1 000 m,800 m,500 m。所得一阶稳定系数如图3所示。

由图3可知,曲率半径从2 200 m减小到500 m时,单肢空心薄壁墩的一阶稳定系数随着曲率半径的减小呈现出细微下降的趋势,约2%,而双肢空心薄壁墩的一阶稳定系数随曲率半径的减小呈现逐渐增大的趋势,提高0.3%,表明曲率半径的改变对该桥梁稳定性的影响并不显著,但单肢薄壁墩的一阶稳定系数仍远大于双肢薄壁墩的稳定系数。单肢空心薄壁墩失稳模态为双向侧倾,双肢空心薄壁墩失稳模态都为纵向侧倾,说明双肢薄壁墩对于主梁的扭转有更好的约束作用,减小了倾覆力矩。

2.2 地震响应

桥梁结构位于Ⅱ类场地,采用两条天然波(Elcentro波,Imperial Valley波)和一条人工波(兰州波),归一化地震波见图4。规定顺桥向为两桥台连线方向,横桥向与之垂直。进行双向激励下的地震响应,8度地震下的水平输入加速度峰值调整为0.2g。双向输入时,水平(E-W)、横向(N-S)地震波峰值之比为1∶0.85[9-10]。

表3为各地震波激励下的主梁跨中和边跨跨中竖向弯矩、扭矩、墩轴力地震响应峰值。

单肢墩一阶频率为0.29 Hz,双肢墩一阶频率为0.22 Hz。由表3可知,采用双肢墩时,主梁中跨和边跨跨中弯矩要比采用单肢墩减少42%～62%和54%～63%,扭矩的减少幅度为22%～38%和20%～45%,墩底轴力增加了82%～260%。分析可知,相比采用单肢墩,采用双肢墩可以有效降低主梁跨中弯矩及扭矩,结构频率也有所降低,但同时会增大双肢墩的轴力需求。

3 结论

本文以实际工程为例,研究了桥墩类型对连续刚构桥薄壁高墩稳定性及抗震性能的影响,主要结论如下:

1)最大悬臂阶段和成桥阶段的单肢薄壁墩稳定性高于双肢薄壁墩的稳定性,稳定系数均大于4,均满足稳定性需求。

2)曲率半径的改变对该桥梁稳定性的影响并不显著。双肢薄壁墩对于主梁的扭转有更好的约束作用,较单肢墩有相对更好的抗侧倾能力。

3)在双向地震波激励下,双肢薄壁墩的抗震性能更优,但同时也增加了桥墩的轴向力需求,在设计时应予以重视。