不同高墩形式下連續(xù)剛構橋動力性能分析

楊雅勛，李子春

(1.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安710064;2.中國鐵道科學研究院，北京100081)

隨著我國西北地區(qū)公路、鐵路等基礎設施的修建，高墩大跨連續(xù)剛構橋得到普遍的運用［1－2］。目前常見的高墩形式有四柱式實心橋墩、雙薄壁式實心墩、獨柱實心墩等，但究竟哪種橋墩抗震性能更好，綜合性能更高，目前研究較少［3－6］。尤其是在當前對高墩大跨徑連續(xù)剛構橋抗震性能的研究還不夠充分的情況下，對不同高墩的抗震性能進行研究，指出其性能上的差異，顯得更為必要［7－8］。本文以西安至禹門口高速公路上杏溝大橋為例，利用ANSYS有限元程序，分析其分別采用四柱式實心橋墩、雙薄壁式實心墩、獨柱實心墩時的動力性能，并得出相關結論。

1 工程概況

杏溝大橋為一座預應力混凝土連續(xù)剛構橋，主橋跨徑為50 m+80 m+50 m。主梁為變截面單箱單室結構，箱梁上頂板寬12.8 m，下底板寬6.0 m，墩梁結合處梁高4.2 m，其間梁高按二次拋物線變化，混凝土強度C50，全橋布置如圖1。兩橋墩墩高均為60 m，混凝土強度C50，分別采用鋼筋混凝土四柱式實心墩(截面尺寸為2.37 m×2.37 m，橫橋向間距3.2 m，縱橋向間距1.0 m)、雙薄壁實心墩(截面尺寸為2 m×6 m、縱橋向間距1.0 m)、獨柱實心墩(截面尺寸為 φ5.34 m)，截面積相差在0.3%以內(nèi)，認為面積相等。樁基采用直徑2.0 m的鉆孔灌注嵌巖樁。所在的場地類型為第二類場地土，地震烈度按8度設防。

2 全橋自振特性分析

全橋有限元模型見圖2，選擇 Shell單元和 beam單元進行計算。成橋狀態(tài)下前十階振型基本形態(tài)和自振頻率見表1和圖3～圖5。

圖1 杏溝大橋總體布置(單位:m)

圖2 全橋有限元模型

從表1和圖3～圖5中三類墩柱的全橋頻率和周期分析得出:采用四柱式實心橋墩、雙薄壁式實心墩、獨柱實心墩的自振頻率依次增大，前十階的提高幅度平均為14.8%和36.9%。在構件截面積相等條件下，獨柱式墩的剛度最大，而四柱式墩最小。

表1 杏溝大橋前十階自振頻率

圖3 四柱式實心墩前十階振型

圖4 雙薄壁式實心墩前十階振型

圖5 獨柱式實心墩前十階振型

從圖3～圖5的分析可知，三類墩的一、二階振型的振動特征相同。四柱式墩第三階振型與雙薄壁式墩第五階振型振動特性相同，且它們對應的四與三、五與四、六與八、七與六、八與九、九與七階振型的振動特征分別相同。但獨柱式墩第三階振型與四柱式墩相同外，越往高階，差別越大。這說明四柱式橋墩與雙薄壁式墩對振型影響不明顯，但獨柱式橋墩與前兩者相差較大，只有最初的三階振型的振動特性相同。

在前十階振型中，高墩的擺動在四柱式墩和雙薄壁式墩中占的比例均為60%，在獨柱式墩中只占10%。表明前兩類大跨連續(xù)剛構橋的振動主要為高墩的彎曲，這也驗證了橋梁震害中破壞形式最常見為橋墩的彎曲破壞、剪切失效及局部屈曲等，從而引起橋梁傾斜、沉陷、落梁，甚至坍塌。而獨柱式墩由于剛度較大，能夠避免墩柱的各類破壞，保證橋梁的正常通行。

3 地震波作用下動力性能分析

地震作用采用典型的El－Centro波和Taft波進行分析，分別取其前16 s，波形如圖6。地震波峰值加速度相當于0.2 g，方向分別考慮橫橋向和縱橋向兩個方向。

圖6 地震波波形

地震波作用下橋梁結構反應特征值見表2。El－Centro波橫橋向作用下，四柱式墩底剪力最小，另兩類墩底剪力分別比其高17.9%和43.7%，但墩頂和跨中位移最大值均出現(xiàn)在雙薄壁式墩的橋梁上，分別達到0.195 m和0.239 m。Taft波橫橋向作用下，同樣為四柱式墩底剪力最小，另兩類墩底剪力分別比其高7.1%和54.5%，而其墩頂和跨中位移均最大，分別達到0.264 m和0.320 m。與 El－Centro波相比，Taft波作用下，四柱式墩和獨柱式墩的動力反應要大得多，前者墩底剪力增大5.9%，墩頂位移增大70.3%，跨中位移增大68.4%;后者墩底剪力增大21.8%，墩頂位移增大22.1%，跨中位移增大16.7%;但雙薄壁式墩的動力反應要小于El－Centro波作用，其墩底剪力減小3.9%，墩頂位移減小8.2%，跨中位移減小11.3%。El－Centro波縱橋向作用下，獨柱式墩底剪力最小，另兩類墩底剪力分別比其高12.3%和12.6%，但墩頂和跨中位移最大值均出現(xiàn)在四柱式墩的橋梁上，分別達到0.032 m和0.020 m。與橫橋向地震波作用相比，縱橋向的位移要小得多。由于地震波的卓越周期、結構的自振特性不盡相同，從而導致結構的反應不盡相同。El－Centro波橫橋向作用下橋梁反應時程曲線見圖7。由圖7可見，四柱式墩和雙薄壁式墩在地震波峰值出現(xiàn)的前3 s內(nèi)，動力反應沒有達到最大，而是在6 s以后達到最大，9 s以后四柱式墩動力反應減小，而雙薄壁式墩保持這一幅度。而獨柱式墩的最大動力反應出現(xiàn)在地震波峰值出現(xiàn)的前3 s內(nèi)，此后逐漸減小。整個地震波作用下，獨柱式墩位移幅度均小于四柱式墩，而四柱式墩則小于雙薄壁式墩。前3 s內(nèi)，獨柱式墩底剪力遠遠大于另兩類墩，此后則小于另兩類墩;而四柱式墩底剪力與雙薄壁式相當。

表2 地震波作用下橋梁結構反應特征值

Taft波橫橋向作用下橋梁反應時程曲線見圖8。由圖8(a)可見，獨柱式墩底剪力要遠大于其他兩類墩，且剪力的衰減不明顯，而四柱式墩和雙薄壁式墩底剪力在達到峰值后逐漸減小，且四柱式墩最小。但在圖8(b)、圖8(c)中，獨柱式墩的位移卻最小，而四柱式墩的位移最大。

El－Centro波縱橋向作用下橋梁反應時程曲線見圖9。由圖9(a)可見，三類墩底剪力峰值接近，但四柱式墩直到6 s才達到最大值，此后變化幅度幾乎沒有衰減;而獨柱式墩前3 s已經(jīng)達到最大，此后衰減明顯;雙薄壁式墩底剪力在前3 s內(nèi)有一次起伏，在6 s左右達到最大，此后衰減，11 s左右達到最小，往后有所增大。由圖9(b)、圖9(c)可見，縱橋向地震波作用下，不同類墩的橋梁結構位移反應比橫橋向作用要小得多，且四柱式墩的位移衰減不明顯。

圖7 El－Centro波橫橋向作用下橋梁反應時程曲線

圖8 Taft波橫橋向作用下橋梁反應時程曲線

圖9 El－Centro波縱橋向作用下橋梁反應時程曲線

4 結論

1)在橋墩截面積相等條件下，采用四柱式橋墩、雙薄壁式實心墩和獨柱式實心墩的橋梁，其自振頻率依次增大，獨柱式墩的剛度最大，四柱式墩最小。

2)采用四柱式墩和雙薄壁式墩的橋梁振型較為接近，振動以高墩的彎曲為主;而獨柱式橋墩只有最初的三階振型與之較為接近，且振型以橋面體系的振動為主。

3)El－Centro波橫橋向作用下，四柱式墩底剪力最小，雙薄壁式墩次之，獨柱式墩最大;但雙薄壁式墩的墩頂和跨中位移最大。

4)Taft波橫橋向作用下，同樣為四柱式墩底剪力最小，雙薄壁式墩次之，獨柱式墩最大;而其墩頂和跨中位移均最大，雙薄壁式墩次之，獨柱式墩最小。

5)El－Centro波縱橋向作用下，獨柱式墩底剪力最小，而四柱式墩與雙薄壁式墩接近，但四柱式墩的墩頂和跨中位移最大。與橫橋向地震波作用相比，墩底剪力接近而位移要小得多。

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