約束形式對高墩變截面鋼桁架橋抗震性能影響的探討

劉 軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

隨著設(shè)計(jì)、施工工藝不斷完善，材料強(qiáng)度和性能的不斷提高，基礎(chǔ)建設(shè)工程也逐漸開始向高烈度地震區(qū)延伸。高烈度地震對公路橋梁，特別是高墩連續(xù)體系橋梁的破壞是巨大的[1]。為防止地震災(zāi)害對橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，避免影響震后救災(zāi)及次生災(zāi)害的發(fā)生，提高高烈度地震區(qū)橋梁的抗震能力就尤為重要。本文就一高墩鋼桁架橋進(jìn)行抗震研究，對今后該體系橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供一定參考幫助。

1 工程概況

某特大橋?yàn)橐豢缭近S河而設(shè)的變高度鋼桁架特大橋，主橋跨徑為（140+4×180+140）m，橋梁全長1000 m。上部結(jié)構(gòu)采用變高度鋼桁架，主桁跨中桁高10 m，支點(diǎn)桁高18 m，桁高變化為二次拋物線；腹桿為帶豎桿的華倫式體系，節(jié)間距為10 m。橫橋向設(shè)雙片桁，間距14.4 m，通過主桁橫梁和橫向斜撐擴(kuò)展橋面寬度至33.5 m。橋面系采用縱、橫梁支撐鋼筋混凝土橋面板體系，板厚16 cm，橋面采用9 cm瀝青混凝土鋪裝。如圖1～圖4所示。

圖1 邊跨主桁立面圖（單位：cm）

圖2 中跨主桁立面圖（單位：cm）

圖3 跨中（邊支點(diǎn)）橫斷面圖（單位：cm）

圖4 中支點(diǎn)橫斷面圖（單位：cm）

下部結(jié)構(gòu)主墩（2～4號墩）采用變截面空心薄壁墩，單箱雙室截面；墩頂順橋向?qū)挾? m，以100∶1坡率放坡至墩底，壁厚0.6 m；橫橋向墩寬12 m，壁厚0.8 m，墩高120 m，承臺平面為六邊形，厚度3～6 m，呈馬蹄狀；采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，平面布置37根D200樁基礎(chǔ)。如圖5所示。過渡墩（1號和5號橋墩）采用獨(dú)柱式空心矩形截面，截面尺寸（29.06×5）m，壁厚0.6 m。采用矩形承臺設(shè)置21根D200樁基礎(chǔ)。橋位處抗震設(shè)計(jì)第一水準(zhǔn)50年超越概率10%下加速度峰值0.15g，抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，場地類別為Ⅲ類。

圖5 主墩一般構(gòu)造圖

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

本橋高墩、長聯(lián)，地震烈度高、場地條件差的特點(diǎn)使橋梁產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)位移和下部結(jié)構(gòu)地震荷載，必須采用減震設(shè)計(jì)達(dá)到降低地震力，減小結(jié)構(gòu)位移的目的。為了對比不同約束方式對結(jié)構(gòu)地震作用的影響，計(jì)算給出如下3種方案：

a）方案一 主橋墩與梁固結(jié)；邊墩一側(cè)采用順向滑動(dòng)支座，另一側(cè)采用雙向滑動(dòng)支座，并設(shè)置順向阻尼器。

b）方案二 主橋墩與梁一側(cè)采用固定支座，另一側(cè)采用橫向滑動(dòng)支座；邊墩一側(cè)采用順向滑動(dòng)支座，另一側(cè)采用雙向滑動(dòng)支座，并設(shè)置順向阻尼器。如圖6所示。

圖6 約束布置圖

c）方案三 只在中間墩設(shè)置順橋向約束，在橫向有選擇地采用部分約束（為滿足橫向抗風(fēng)需要，橫橋向需采用隔震設(shè)計(jì)。隔墩釋放支座橫向約束，安裝橫向熔斷器和阻尼器，風(fēng)荷載作用下橫向全約束，地震荷載作用下破壞限位裝置解除約束，與橫向阻尼器配合實(shí)現(xiàn)地震作用下橫向減震消能），其余為滑動(dòng)支座，并設(shè)置橫縱向阻尼器。如圖7所示。

圖7 約束布置圖

采用MIDAS對大橋進(jìn)行抗震計(jì)算。所有單元均采用桿系單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)劃分為5501個(gè)單元，整個(gè)結(jié)構(gòu)在墩底固結(jié)。如圖8所示為大橋空間計(jì)算模型。

圖8 有限元計(jì)算模型

3 計(jì)算結(jié)果分析[2-3]

由于方案一和方案二需要柔性墩適應(yīng)主桁架在溫度影響下的縱向變形，因此計(jì)算比較了墩頂寬6 m、7m、8 m三種不同的截面形式。方案三只計(jì)算了墩頂寬8 m的情況。

為了選取最合適的阻尼器，進(jìn)行了一系列阻尼器參數(shù)對比。最終確定方案一、二采用的順橋向阻尼器參數(shù)為：C=2000，α=0.3。方案三采用的順橋向阻尼器參數(shù)為：C=4000，α=1.0；橫橋向阻尼器參數(shù)為：C=2000，α=0.3。

表1 模型參數(shù)匯總表 m

3.1 不同約束方式下的地震響應(yīng)

針對上述模型，表2給出橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向和順橋向地震響應(yīng)。

表2 墩底內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 kN·m

從表2可以看出，對比模型1、2、3計(jì)算結(jié)果，隨著截面尺寸的增大，墩底彎矩也隨之增大。模型4、5、6也有相同的規(guī)律。說明由于截面尺寸增大，使得結(jié)構(gòu)剛度增加，從而增大了結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。

圖9 順橋向彎矩與等效屈服彎矩對比圖

從圖9可以看出，對比模型3、6、7計(jì)算結(jié)果，在截面尺寸相同情況下，方案三墩底順橋向彎矩顯著減小，顯示出設(shè)置阻尼器的優(yōu)越性。

圖10 橫橋向彎矩與等效屈服彎矩對比圖

從圖10中可以看出，在計(jì)算的7個(gè)模型中，方案三墩底橫橋向彎矩明顯小于其他兩種約束情況。

3.2 不同約束方式下的墩頂位移

針對上述模型，表3給出橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向和順橋向墩頂位移。

表3 墩頂位移計(jì)算結(jié)果 m

圖11 墩頂位移對比圖

從圖11可以看出，在計(jì)算的7個(gè)模型當(dāng)中，方案三的橫、順橋向墩頂位移明顯小于其他兩種約束模型，且從計(jì)算結(jié)果可以看出，設(shè)置阻尼器對減小橫橋向墩頂位移的作用尤為明顯。

4 結(jié)論

本文對一高墩大跨變高度鋼桁架橋的隔震效果進(jìn)行了分析研究，結(jié)論如下：

a）主墩未設(shè)置阻尼器的墩梁約束形式，隨著截面尺寸增大，墩底順橋向彎矩也隨之增大。說明由于橋墩截面尺寸增大，結(jié)構(gòu)剛度相應(yīng)增大，從而增大了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)；截面尺寸相同時(shí)，設(shè)置阻尼器的結(jié)構(gòu)模型墩底橫橋向、順橋向彎矩顯著減小，顯示出了設(shè)置阻尼器的優(yōu)越性。

b）設(shè)置阻尼器時(shí)，結(jié)構(gòu)橫、順橋向墩頂位移明顯小于其他兩種約束形式，且設(shè)置阻尼器對減小橫橋向墩頂位移的作用尤為明顯。