輔助墩對(duì)大跨度高低墩斜拉橋抗震性能的影響

周 敏

(四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川 成都 610031)

?

輔助墩對(duì)大跨度高低墩斜拉橋抗震性能的影響

周 敏

(四川交大工程檢測咨詢有限公司，四川 成都 610031)

以某大跨度高低墩斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用控制變量法,分析了輔助墩對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,結(jié)果表明：增設(shè)適當(dāng)數(shù)量的輔助墩可以有效減小地震作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力及變形。

斜拉橋，高低墩，輔助墩，動(dòng)力特性，抗震性能

1 工程概況

某高低墩混合梁斜拉橋，跨徑布置為(4×57.5+730+4×57.5)m。該橋?yàn)榘肫◇w系，主跨為單箱單室鋼箱梁，邊跨為單箱多室異型混凝土箱梁，全橋共設(shè)置2個(gè)鋼混結(jié)合段。受場地地勢條件的影響，北塔建于北岸岸坡處，南塔則位于深水區(qū)，北塔下塔墩高為13.7 m，南塔下塔墩高為53.62 m，兩塔墩高差相差39.92 m。兩邊跨各布置3個(gè)輔助墩，輔助墩之間間距為57.5 m，全橋總體布置圖見圖1。

2 有限元模型及分析工況

2.1 有限元模型

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立有限元模型，全橋模型由主跨鋼箱梁、錨跨混凝土箱梁、橋塔、斜拉索、橋墩、承臺(tái)以及樁基七部分組成。主梁、橋塔以及下部結(jié)構(gòu)均采用梁單元進(jìn)行模擬，斜拉索采用僅受拉的桁架單元進(jìn)行模擬，由于斜拉索自身產(chǎn)生的“垂度效應(yīng)”[1,2]，其彈性模量通過Ernst公式進(jìn)行修正[3,4]。全橋有限元模型見圖2，各組成部分之間具體連接方式及邊界條件見表1。

2.2 分析工況

分析過程共考慮四種工況：1)全橋無輔助墩；2)邊跨對(duì)稱位置各設(shè)置1個(gè)輔助墩；3)邊跨對(duì)稱位置各設(shè)置2個(gè)輔助墩；4)邊跨對(duì)稱位置各設(shè)置3個(gè)輔助墩(原結(jié)構(gòu))。各工況下輔助墩均將邊跨均分，輔助墩設(shè)置示意圖如圖3所示。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

表1 有限元模型邊界條件

采用多重Ritz向量法來提取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)模態(tài)[5]，原結(jié)構(gòu)前十階自振頻率及振型見表2。

由表2可知：1)該橋一階振型為主梁縱向飄浮，說明在地震作用下，該振型為結(jié)構(gòu)主要的縱向變形形式。2)該橋基本周期相對(duì)較長，大小為11.895 s，說明半漂浮體系斜拉橋較為輕柔，有利于消耗地震所產(chǎn)生的能量。3)主梁一階橫彎及一階豎彎頻率在第2階及第3階相繼出現(xiàn)，因此在地震作用下主梁會(huì)發(fā)生較大的豎向及橫向彎曲變形，結(jié)構(gòu)的剛度由主梁控制。4)與北塔相比，南塔的側(cè)向彎曲振型率先出現(xiàn)，這是由于南塔較高，塔身柔度大，故其側(cè)彎振型先于北塔出現(xiàn)。

表2 原結(jié)構(gòu)前十階自振頻率及振型

4 地震響應(yīng)結(jié)果分析

4.1 地震動(dòng)輸入

采用非線性時(shí)程分析法對(duì)該橋進(jìn)行地震響應(yīng)分析[6]。根據(jù)實(shí)際地勘資料，該橋所處的場地類別為Ⅱ類場地，選取符合該類型場地地震動(dòng)頻譜特性的El-Centro波進(jìn)行計(jì)算。由于該橋所在位置處的水平設(shè)計(jì)峰值加速度為0.1g，與El-Centro波的峰值加速度3.569 m/s2存在較大差異，因此采用0.28的修正系數(shù)對(duì)選取地震波的加速度峰值進(jìn)行調(diào)整。地震持續(xù)時(shí)間取為50 s，調(diào)整后的加速度時(shí)程曲線見圖4，地震動(dòng)輸入方向?yàn)椤翱v向+豎向”以及“橫向+豎向”，豎向加速度時(shí)程值取為水平加速度的1/2。分析結(jié)果取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位地震響應(yīng)中的最大值。

4.2 結(jié)果分析

以橋塔位移、主梁撓度以及塔身彎矩作為研究對(duì)象，分析不同方向地震動(dòng)輸入下輔助墩設(shè)置模式對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

“縱向+豎向”地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力及位移變化規(guī)律如圖5和圖6所示。由圖5a),圖5b)可知，隨著高度的增加，橋塔順橋向位移逐漸增大；無輔助墩時(shí)，由于結(jié)構(gòu)體系的剛度最小，橋塔塔頂?shù)捻槝蛳蛭灰谱畲螅畲笪灰瞥霈F(xiàn)在南塔頂，大小為31 cm，由此可知，增設(shè)輔助墩可以有效地減小地震作用下橋塔的順橋向位移。由圖5c)可知，輔助墩數(shù)量對(duì)主梁在地震作用下的豎向撓度影響顯著。原結(jié)構(gòu)主梁豎向位移峰值出現(xiàn)在主跨跨中，大小為45.9 cm。隨著輔助墩數(shù)量的減少，結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性隨之發(fā)生改變，主梁豎向位移峰值逐漸減小且出現(xiàn)的位置集中在主梁縱橋向三分點(diǎn)位置處。無輔助墩時(shí)主梁豎向位移的峰值為18 cm；當(dāng)兩邊跨各布置1個(gè)或2個(gè)輔助墩時(shí)主梁各截面豎向位移相差很小，位移峰值分別為7.3 cm和7.2 cm，說明設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的輔助墩可以有效地限制主梁的豎向位移。由圖6可知，橋塔順橋向彎矩隨高度的增加逐漸減小。與其余三種輔助墩設(shè)置模式相比，原結(jié)構(gòu)塔底彎矩最大，最大值出現(xiàn)在南橋塔塔底，大小為4.5×105kN·m。當(dāng)兩邊跨各布置1個(gè)或2個(gè)輔助墩時(shí)，塔身彎矩較小。

“橫向+豎向”地震作用下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力及位移變化規(guī)律如圖7，圖8所示。由圖7a)，圖7b)可知，南橋塔與北橋塔位移的變化規(guī)律略有不同，說明塔墩的高度差造成兩橋塔的動(dòng)力特性存在差異。隨著高度的增加，橋塔橫橋向位移大體呈上升趨勢，由于南橋塔塔身剛度比北橋塔小，其橫向位移響應(yīng)更為敏感。輔助墩的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)的橫橋向位移起到約束作用，故隨著輔助墩數(shù)量的增加，橋塔橫橋向位移逐漸減小，無輔助墩時(shí)南橋塔塔頂位置處的橫橋向位移最大，大小為18.1 cm。由圖7c)可知，原結(jié)構(gòu)主跨豎向位移明顯大于其余3種輔助墩設(shè)置方式，跨中位置處豎向位移最大，大小為45.9 cm。其余3種輔助墩設(shè)置方式下，主梁豎向位移均較小并趨于穩(wěn)定。由圖8可知，隨著高度的增加，橋塔橫橋向彎矩呈減小趨勢，在塔底及下橫梁位置處彎矩值較大，南橋塔塔墩處彎矩明顯大于北橋塔，以原結(jié)構(gòu)為例，南橋塔塔底橫橋向彎矩值為北橋塔的3.37倍。針對(duì)單個(gè)橋塔而言，四種輔助墩設(shè)置方式下其橫向彎矩峰值比較接近且變化規(guī)律基本相同，說明輔助墩對(duì)橋塔橫橋向彎矩影響較小。

5 結(jié)語

1)由于該橋兩橋塔塔墩高度存在較大差異，南橋塔高度較高，塔身柔度大，其側(cè)彎振型先于北橋塔出現(xiàn)，輔助墩數(shù)量的變化對(duì)南橋塔一階側(cè)彎頻率的影響比北橋塔更為顯著。2)增設(shè)適量的輔助墩可以有效地減小地震作用下橋跨結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力及位移。針對(duì)本橋而言，當(dāng)兩邊跨各設(shè)置1個(gè)～2個(gè)輔助墩時(shí)，結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的內(nèi)力及位移響應(yīng)均較小，對(duì)抗震較為有利。3)在大跨度斜拉橋的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力、動(dòng)力作用下的受力行為綜合考慮，選取適當(dāng)?shù)妮o助墩設(shè)置數(shù)量使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形處于合理狀態(tài)。

[1] 王立彬,王 達(dá),郭藝瀟.損傷拉索的垂度效應(yīng)分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,31(2):119-125.

[2] 張 敏,高宗余,陳 佳,等.千米跨度公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋幾何非線性研究[J].橋梁建設(shè),2014,44(5):15-20.

[3] 王 偉,黃永福,周 聰,等.輔助墩對(duì)無上橫梁雙直立塔柱斜拉橋的影響[J].中外公路,2012,32(5):119-122.

[4] 劉 平,許 慧,璆 瑋.大跨度斜拉索自重作用下的垂度分析[J].公路交通科技,2016,33(3):60-63.

[5] 陳 征.部分斜拉橋動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析[D].大連：大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013.

[6] 葉愛君,管仲國.橋梁抗震[M].北京:人民交通出版社,2011：60-61.

Effects of auxiliary piers on seismic performance of a long-span cable-stayed bridge with piers at different heights

Zhou Min

(Sichuan Jiaoda Engineering Detection Consult Co., Ltd, Chengdu 610031, China)

A long-span cable-stayed bridge with piers at different heights is taken as the research object and effects of auxiliary piers on seismic performance of the structure are studied by control variables method. The results show that internal forces and displacements of key parts of the structure decrease by setting appropriate auxiliary piers.

cable-stayed bridge, piers at different heights, auxiliary piers, dynamic characteristics, seismic performance

1009-6825(2017)08-0163-03

2017-01-08

周 敏(1982- )，女，碩士，工程師

U442.55

A