大跨剛構(gòu)橋橋墩抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)艷果

(上海同季土木工程設(shè)計(jì)有限公司，上海 200092)

0 引言

隨著我國(guó)西部開(kāi)發(fā)腳步的不斷加快，越來(lái)越多的橋梁建設(shè)項(xiàng)目在新疆等地的城市及公路規(guī)劃中出現(xiàn)。我國(guó)西部地區(qū)地形條件錯(cuò)綜復(fù)雜，溝壑林立，為適應(yīng)地形條件需要，T形剛構(gòu)橋在路網(wǎng)規(guī)劃中成為一種司空見(jiàn)慣的橋梁形式。而西部大部分地區(qū)地震基本烈度較高，結(jié)合工程情況對(duì)橋梁地震動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行深入細(xì)致的分析具有重大的實(shí)際意義。尤其是“5·12”地震之后，地震給人們帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)及精神損失重新被給予了足夠的重視。在不斷采用新材料、新形式的橋梁構(gòu)件的同時(shí)，如何通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行優(yōu)化從而減小地震給橋梁帶來(lái)的破壞更具重要性。因此，本文通過(guò)工程實(shí)例，分析了兩種不同形式的橋墩截面及不同墩高在抗震設(shè)計(jì)中的優(yōu)劣，從而給實(shí)際的工程項(xiàng)目提出更為合理的形式及尺寸。

1 連續(xù)剛構(gòu)橋的地震響應(yīng)

1.1 工程設(shè)計(jì)基本資料

本文選取位于新疆呼圖壁縣境內(nèi)的呼圖壁河上的呼圖壁河大橋作為對(duì)象進(jìn)行模擬分析。該橋的跨徑布置為90 m+150 m+90 m現(xiàn)澆預(yù)應(yīng)力混凝土變截面單箱單室剛構(gòu)橋，橋面寬度10 m，邊支點(diǎn)梁高3.5 m，墩頂主梁梁高8.5 m，梁高沿跨徑方向按二次拋物線變化，擬采用墩高分別為35 m，40 m，橋墩截面形式為雙柱式薄壁墩和空心墩兩種，兩種橋墩截面尺寸擬定時(shí)基本保持面積相同，箱梁及橋墩截面主要尺寸如圖1，圖2所示。

本橋基礎(chǔ)采用承臺(tái)樁基礎(chǔ)，中墩承臺(tái)厚4.5 m，樁基直徑2.2 m，樁長(zhǎng)40 m。

1.2 空間有限元模型

采用有限元分析軟件midas對(duì)該橋進(jìn)行建模分析，主梁與橋墩均采用3D梁?jiǎn)卧?，質(zhì)量轉(zhuǎn)換采用集中質(zhì)量轉(zhuǎn)換，將箱梁及墩柱自重、橋面鋪裝、欄桿均進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)換。邊支座及墩底均采用彈性支撐來(lái)模擬支座及地基土對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用。在其他條件完全相同的情況下，分別采用兩種橋墩截面、兩種墩高來(lái)建立分析模型。

剛構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖3。

圖2 墩柱截面（單位：cm）

1.3 參數(shù)選取

該橋所處的場(chǎng)地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度為8度，地震動(dòng)加速度峰值 0.3g。

結(jié)構(gòu)特性分析類型采用lanczos法，陣型數(shù)量取值為20，陣型組合類型采用CQC，采用反應(yīng)譜分析對(duì)順橋向及橫橋向地震響應(yīng)進(jìn)行分析。

圖3 剛構(gòu)有限元模型（雙柱式薄壁墩）

2 分析結(jié)果

2.1 自振特性

分別采用35 m雙柱式薄壁墩、空心墩，40 m雙柱式薄壁墩、空心墩建立的分析模型，其自振特性如表1，表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)自振特性(墩高35 m)

表2 結(jié)構(gòu)自振特性(墩高40 m)

由表1，表2可以看出，采用雙柱式薄壁墩能適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)自振頻率，且墩柱高度適當(dāng)增大后自振頻率減小。

2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

四個(gè)分析模型的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析結(jié)果見(jiàn)表3，表4。

通過(guò)表3，表4可以看出，在外部邊界條件相同，墩柱慣性矩相同的條件下，采用雙柱式薄壁墩時(shí)，墩頂及墩底內(nèi)力比采用空心墩平均減小約43%，但墩頂豎橋向、橫橋向位移和主梁跨中彎矩則相應(yīng)增大;在結(jié)構(gòu)形式相同的情況下，墩高采用40 m時(shí)的墩頂、墩底內(nèi)力比采用35 m時(shí)明顯減小，但墩頂、墩底及跨中彎矩也會(huì)適當(dāng)增大。

表3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值(墩高35 m)

表4 結(jié)構(gòu)響應(yīng)最大值(墩高40 m)

3 結(jié)語(yǔ)

1)采用薄壁式橋墩，適當(dāng)增加墩柱高度可以減小結(jié)構(gòu)的自振頻率，對(duì)汽車沖擊力等外部激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2)通過(guò)對(duì)本橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的分析可知，在地震作用下，采用雙柱式薄壁式橋墩減小了墩頂及墩底彎矩，但跨中彎矩及墩頂位移比采用空心墩要大，因此在實(shí)際的工程應(yīng)用中要權(quán)衡其利弊，選擇更為符合項(xiàng)目特點(diǎn)的墩柱截面形式。

3)通過(guò)對(duì)不同墩號(hào)的計(jì)算模型的分析可以得知，墩高越大，在地震作用下墩頂和墩底產(chǎn)生的內(nèi)力就越小，由此也可以看出，墩柱剛度越小，地震作用下的內(nèi)力就越小，但也會(huì)導(dǎo)致墩頂位移增大，在工程應(yīng)用中須對(duì)其引起足夠的重視，可采取配套的限位措施。

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