橋墩高差對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響?yīng)?/h1>

2015-07-12 18:21:02韓路軍

四川水泥訂閱 2015年12期 收藏

關(guān)鍵詞：橫橋墩頂高差

韓路軍

（江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，南京 210017）

橋墩高差對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響?yīng)?/p>

韓路軍

（江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，南京 210017）

以某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了橋墩高差對大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)的影響。研究表明：隨著墩高高差的增大，主梁各關(guān)鍵截面位置和橋墩墩頂處縱橋向位移減小，當(dāng)2#墩墩高在41.7m時(shí)，上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)各截面位移值和內(nèi)力值較其他墩高變化很明顯。研究結(jié)果可為此類大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供參考。

連續(xù)剛構(gòu) 橋墩高差 反應(yīng)譜分析 地震響應(yīng)

隨著各國橋梁工程的迅速發(fā)展，橋墩越建越高，在地震頻繁發(fā)生的背景下，橋梁的抗震性能得到了學(xué)者越來越多的重視。但在實(shí)際工程中，由于場地限制，主墩高度往往存在差異，因此關(guān)注橋墩高差對連續(xù)剛構(gòu)地震響應(yīng)的影響有現(xiàn)實(shí)意義[1,2]。

為了查明橋墩高差變化對其地震響應(yīng)的影響程度，本文以某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋?yàn)閷ο?，研究了不同的橋墩高差對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，為此類橋梁在今后的抗震設(shè)計(jì)方面提供一定的參考依據(jù)。

1. 工程概況及有限元建模

本文采用某大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋?yàn)檠芯繉ο螅骺缃Y(jié)構(gòu)形式為96m+132m+96m，采用單箱單室截面箱梁結(jié)構(gòu)，橋墩采用混凝土矩形空心墩，縱橋向?qū)挾染鶠?m，橫橋向采用變寬設(shè)計(jì)，頂寬7.3m，內(nèi)位坡均按一定的線性變化， 1號和2號墩高均為49.7m。本文以49.7m墩不變，只將2號橋墩高度改變，改變幅度為降低0%、4%、8%、12%、16%，墩高分別對應(yīng)49.7m、47.7m、45.7m、43.7m、41.7m，運(yùn)用Midas/civil軟件建立模型1-5來研究橋墩高差對其地震響應(yīng)的影響，計(jì)算模型1見圖1。

圖1 大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋梁有限元模型

2. 地震反應(yīng)譜及工況的確定

依據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》和《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》,本研究對象地處抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度（0.15g）,場地類別為Ⅱ類,設(shè)計(jì)特征周期為0.45s，阻尼比0.05,采用多遇地震作用下設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為地震動輸入，得到設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線如圖2。在計(jì)算分析過程中，選取結(jié)構(gòu)的前120階振型，采用CQC法進(jìn)行振型疊加計(jì)算[3]，地震動縱、橫、豎三個(gè)方向的振型參與質(zhì)量之和均在95%以上，具有較高的計(jì)算精度。

圖2 反應(yīng)譜函數(shù)曲線

當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期大于0.3s時(shí)豎向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜是水平向設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜的0.5倍[4]，經(jīng)計(jì)算本橋自振周期大于0.3s。故本文豎向地震作用采用水平地震基本加速度的65%進(jìn)行動力計(jì)算[5]，建立了地震荷載工況是: 1.0縱向+1.0橫向+0.65豎向。

3. 橋墩高差對連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)的影響

3.1 橋墩高差對上部結(jié)構(gòu)位移的影響

各圖中上部結(jié)構(gòu)截面位置編號分別代表：1為左邊跨跨中、2為左懸臂端根部、3為主跨跨中、4為右懸臂端根部、5為右邊跨跨中。上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜位移分析結(jié)果見圖3-5。

圖3 縱橋向位移

圖4 橫橋向位移

圖5 豎向位移

由圖 3 知，隨著墩高高差的增大，主梁各關(guān)鍵截面位置處縱橋向位移減?。挥蓤D 4 知，左懸臂端根部和右邊跨跨中橫橋向位移隨墩高高差的增大而增大，左邊跨跨中、主跨跨中和右懸臂端根部位移變化沒明顯規(guī)律。低墩墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)，主梁各截面橫橋向位移變化不明顯；由圖 5 知，左邊跨中和右邊跨跨中豎向位移值較大，并隨墩高高差的增大左邊跨中和右邊跨跨中豎向位移減小，2#墩墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)，主梁各截面豎向位移變化不明顯。

1#高墩側(cè)主梁截面縱橋向位移與2#低墩側(cè)主梁截面縱橋向、橫橋向和豎向位移相差不大，說明墩高高差改變對本橋主梁截面的縱橋向、橫橋向和豎向位移不對稱性影響不大。當(dāng)墩高在41.7m主梁各截面位移值較其他墩高變化很明顯。

3.2 橋墩高差對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

上部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜內(nèi)力分析結(jié)果見圖6-8。

圖 6 知，2#墩墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)，即墩高高差由0m變化到4m后，主梁各關(guān)鍵截面處軸力增大，但軸力變化幅度并不明顯，當(dāng)2#墩墩高達(dá)到41.7m時(shí)主梁各截面處軸力突然變小。由圖 7 知，隨著墩高高差的增大，主梁各關(guān)鍵截面位置處面內(nèi)彎矩My減小，但2#墩墩高在49.7m到43.7m變化時(shí)面內(nèi)彎矩My變化幅度并不明顯。由圖 8知，隨著墩高高差的增大，主梁右邊跨中和懸臂端根部截面位置處面外彎矩Mz增大，其余截面位置處面外

圖6 軸力圖

圖7 面內(nèi)彎矩圖

圖8 面內(nèi)彎矩圖

彎矩Mz減小，但2#墩墩高在49.7m到43.7m變化時(shí)面外彎矩變化幅度都不明顯。

1#高墩側(cè)主梁截面縱橋向位移與2#低墩側(cè)主梁截面軸力、面內(nèi)彎矩My和面外彎矩Mz相差不大，說明墩高高差改變對本橋主梁截面的軸力、面內(nèi)彎矩My和面外彎矩Mz不對稱性影響不大。當(dāng)墩高在41.7m主梁各截面內(nèi)力值較其他墩高變化很明顯。

4. 橋墩高差對連續(xù)剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)的影響4.1 橋墩高差對下部結(jié)構(gòu)位移的影響

位移圖中下部結(jié)構(gòu)截面位置編號分別代表：1為1#墩頂、2為2#墩頂。下部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜位移分析結(jié)果見圖9-11。

圖9 縱橋向位移

圖10 橫橋向位移

圖11 豎向位移

由圖 9 知，隨著墩高高差的增大，橋墩墩頂截面位置處縱橋向位移減小。由圖 10 知，隨著墩高高差的增大，1#橋墩墩頂截面位置處橫橋向位移增大， 2#橋墩墩頂截面位置處橫橋向位移變化規(guī)律不明顯，基本上呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)墩高在41.7m橋墩墩頂橫橋向位移值較其他墩高變化很明顯。由圖 11 知，豎向位移很小，可不考慮橋墩高差變化對橋墩豎向位移的影響。

對稱剛構(gòu)橋的墩頂位移基本相同，而不對稱剛構(gòu)橋高墩墩頂?shù)捻槝蛳蚝蜋M橋向位移均大于矮墩，這是由于隨著墩高高差的增大，高墩與矮墩的剛度差越大，高墩相對于矮墩將會更柔。隨著墩高高差的增大，橋墩墩頂截面的縱橋向和橫橋向位移相差越大，橋墩截面位置處縱橋向和橫橋向位移不對稱性越明顯，說明墩高增大，減小了橋梁的縱橋向和橫橋向剛度，并在很大程度上降低了整個(gè)結(jié)構(gòu)縱橋向和橫橋向剛度。

4．2 橋墩高差對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

內(nèi)力圖中下部結(jié)構(gòu)截面位置編號分別代表：1為1#墩頂、2為2#墩頂、3為1#墩底、4為2#墩底。下部結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)譜內(nèi)力分析結(jié)果見圖12-14。

由圖 12 知，低墩墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)， 1#橋墩墩頂和墩底軸力截面位置處軸力增大，2#橋墩墩頂和墩底軸力截面位置處軸力減小。當(dāng)?shù)投斩崭哌_(dá)到41.7m時(shí)橋墩墩頂和墩底截面處軸力急劇變小。由圖 13 知，隨著墩高高差的增大，橋墩墩頂和墩底面內(nèi)彎矩My都有減小趨勢， 由圖 14 知，隨著墩高高差的增大，1#橋墩墩頂和墩底和2#橋墩墩頂截面位置處面外彎矩Mz基本上呈增大的趨勢，墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)，2#橋墩墩底截面面外彎矩Mz減小。

隨著墩高高差的增大，橋墩各截面處的軸力、面內(nèi)彎矩My和面外彎矩Mz相差越大，橋墩各截面位置處內(nèi)力不對稱性越明顯。但2#墩墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)，橋墩各截面軸力、面內(nèi)彎矩My和面外彎矩Mz變化幅度不明顯。當(dāng)墩高在41.7m主梁各截面內(nèi)力值較其他墩高變化很明顯

圖12 軸力圖

圖13 面內(nèi)彎矩圖

圖14 面內(nèi)彎矩圖

5 結(jié)論

通過對此大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)鐵路橋?qū)嵗难芯糠治霰砻鳎?/p>

（1）對連續(xù)剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)來說：隨著墩高高差的增大，上部結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面位置處縱橋向位移減小，橫橋向位移和豎向位移并無明顯的變化規(guī)律。2#墩墩高由49.7m變化到43.7m時(shí)，主梁各截面內(nèi)力值按一定的規(guī)律變化。當(dāng)2#墩墩高在41.7m時(shí)，上部結(jié)構(gòu)各截面位移值和內(nèi)力值較其他墩高變化很明顯。墩高高差改變對上部結(jié)構(gòu)截面位移和內(nèi)力值的不對稱性影響不大。

（2）對連續(xù)剛構(gòu)橋下部結(jié)構(gòu)來說：隨著墩高高差的增大，橋墩墩頂截面位置處縱橋向位移減小，1#橋墩墩頂截面位置處橫橋向位移增大，2#橋墩墩頂截面位置處橫橋向位移變化復(fù)雜，隨著墩高高差的增大，橋墩墩頂和墩底面內(nèi)彎矩My都減小，軸力和面外彎矩Mz值變化無明顯規(guī)律。當(dāng)2#墩墩高在41.7m時(shí)，下部結(jié)構(gòu)各截面位移值和內(nèi)力值較其他墩高變化很明顯。墩高高差改變對上部結(jié)構(gòu)截面位移和內(nèi)力值的不對稱性影響較大。

[1]楊雅勛，李子春.不同高墩形式下連續(xù)剛構(gòu)橋動力性能分析[J].鐵道建筑，2010(7):33-36.

[2]王心順,舒春生. 非對稱高墩大跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋地震反應(yīng)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2008(6):55-57.

[3]龐元志.大跨鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋地震力分析[J]. 鐵道建筑技術(shù). 2010,(增): 41-43

[4]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). JTG/T B02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則[S].人民交通出版社. 2008

[5]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). GB 50111-2006鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 中國計(jì)劃出版社. 2006

Influence of Elevation Difference of Pier on Seismic Response of Long-Span Continuous Pre-Stressed Concrete Rigid-Frame Bridges

Han lujun

（Jiang Su Transportation Research Institute Co., Ltd Nanjing 210017, China）

With the long-span continuous pre-stressed concrete rigid-frame bridges as the engineering back

ground, the influence of elevation difference of pier on seismic response of long-span continuous pre-stressed concrete rigid-frame bridges is researched. The result of our research shows that the greater elevation difference of pier is, the smaller displacement of each key section of girder and top location of bridge pier is. Compared with other high pier, the cross section displacement and internal force value of the upper structure and lower structure change obviously at 41.7 m high of 2 # pier. The research results may be applied to earthquake resistance design of the long-span continuous pre-stressed concrete rigid-frame bridge.

continuous rigid-frame bridge elevation difference of pier response spectrum method seismic response

TU448

：A

1007-6344（2015）12-0309-02

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