鋼管混凝土橋墩的抗震性能研究

李 勝 牟廷敏 范碧琨 趙藝程

（1 四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2 四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院）

0 引言

我國西部山區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地震烈度高，橋梁受地形條件限制，往往需要采用高墩大跨結(jié)構(gòu)。連續(xù)剛構(gòu)橋以其內(nèi)力分布合理、跨越能力強、造型美觀等優(yōu)點，在西部山區(qū)廣泛應(yīng)用，并逐漸朝跨徑更大、橋墩更高的方向發(fā)展。目前連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但是鋼筋混凝土自重大，當(dāng)用于高墩、大跨、高地震烈度區(qū)的橋梁時，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計復(fù)雜[1]。因此，本文對比了鋼管混凝土橋墩和鋼筋混凝土橋墩的地震效應(yīng)，結(jié)果表明，鋼管混凝土橋墩更適合于高烈度重山區(qū)大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計時采用。

鋼管混凝土橋墩設(shè)計

某連續(xù)剛構(gòu)跨徑布置為106m+2×200m+115m+40m，如圖2-1所示。其中5#、6#、7#墩高分別為 113、195、178m。橋梁全寬 16m，設(shè)計荷載公路-Ⅰ級，地震基本烈度7.7度，地震加速度峰值：E1地震下0.151g，E2地震下0.274g。按傳統(tǒng)設(shè)計，連續(xù)剛構(gòu)橋墩在此高度范圍內(nèi)時，多采用箱型截面，并且箱型截面根據(jù)受力需要進行橫縱橋向放坡設(shè)計，提高截面承載能力。但是當(dāng)墩高超過一定高度，地震烈度又較大時，箱型截面的尺寸和地震效應(yīng)大，橋梁抗震設(shè)計困難。所以本文提出采用鋼管混凝土橋墩設(shè)計，構(gòu)造如圖2-2所示。

其中5#、6#、7#主墩為鋼管混凝土橋墩，鋼管混凝土橋墩由四肢格構(gòu)柱及柱間混凝土肋板形成單箱單室截面。在主梁翼板根部，墩橫橋向?qū)?1.9m，5#墩橫向不放坡，6#和7#墩橫向按60：1放坡；縱橋向5#墩頂寬9.4m，6#和7#墩墩頂寬11.0m，縱向均不放坡。

1 某大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)總體布置圖

2 主墩設(shè)計尺寸示意圖

2.1 有限元模型的建立

為分析對比鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)和鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)的抗震性能，本文采用有限元分析軟件MIDAS/CIVIL分別建立上述兩種結(jié)構(gòu)的空間桿系模型。

其中，鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)模型的結(jié)構(gòu)構(gòu)造參數(shù)按設(shè)計取值，鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)模型僅將 5#～7#主墩截面修改成鋼筋混凝土箱型截面，縱橫向按70：1放坡，截面壁厚100cm，材料為C50混凝土。截面尺寸如圖3-1、3-2所示，空間桿系模型如圖3-3所示。

圖3 -1 鋼筋混凝土空心墩截面

圖3 -2 鋼筋混凝土空心墩局部模型如圖3-1

圖3 -3 連續(xù)剛構(gòu)有限元計算模型

地震荷載按該橋《安評報告》取值，地震基本烈度7.7度，按照50年超越概率10%，水平地震加速度峰值PGA=0.151g（E1地震），地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45s；按照50年超越概率2%，水平地震加速度峰值PGA=0.274g（E2地震），地震動反應(yīng)譜特征周期為0.50s。其余計算荷載按規(guī)范和設(shè)計文件取值。

2.2 地震作用效應(yīng)

分別對鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)模型和鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)模型進行E1反應(yīng)譜分析和E2時程分析，對比兩種結(jié)構(gòu)在E1、E2地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。

一.E1地震作用下主墩控制截面內(nèi)力

進行 E1地震作用下的反應(yīng)譜分析，計算得 5#墩墩頂與墩底截面、6#墩墩頂與墩底截面、7#墩墩頂與墩底截面[2]處內(nèi)力如表4-1所示。

表3 -2 E1地震作用下主墩控制截面內(nèi)力

注：彎矩增大率=（鋼筋混凝土墩-鋼管混凝土墩）/鋼管混凝土墩

由以上數(shù)據(jù)可知：兩類主墩地震響應(yīng)規(guī)律基本一致。6#墩墩底橫橋向彎矩最大，分別為1.25×106kN·m和1.91×106kN·m，其余截面彎矩均表現(xiàn)為鋼筋混凝土空心墩大于鋼管混凝土橋墩，增幅約53%～134%。其中， 6#墩采用鋼管混凝土橋墩比采用鋼筋混凝土空心墩，墩底橫向彎矩減小了約40%，優(yōu)勢明顯。

二.E2地震作用下主墩控制截面內(nèi)力

進行 E2地震作用下的時程分析，計算得 5#墩墩頂與墩底截面、6#墩墩頂與墩底截面、7#墩墩頂與墩底截面處內(nèi)力如表4-2所示。

表4 -2 E2地震作用下主墩控制截面內(nèi)力

注：（鋼筋混凝土墩-鋼管混凝土墩）/鋼管混凝土墩

對比兩類結(jié)構(gòu)5#～7#墩墩頂和墩底處的縱、橫向彎矩可得，6#墩墩底橫橋向彎矩最大，分別為3.0×106kN·m和4.0×106kN·m。橫向彎矩在6#墩墩頂截面兩者基本一致，其余截面鋼筋混凝土空心墩均大于鋼管混凝土橋墩，增幅約33%～70%?？v向彎矩除7#墩墩頂截面外，其余截面鋼筋混凝土空心墩均大于鋼管混凝土橋墩，增幅約31%～191%。雖然7#墩墩頂截面縱向彎矩鋼管混凝土橋墩比鋼筋混凝土空心墩大38%，但數(shù)量級為105，與控制彎矩相比絕對數(shù)值較小，所以鋼管混凝土橋墩的抗震優(yōu)越性較為明顯。

2.3 基本動力特性

兩種結(jié)構(gòu)的前五階頻率和振型列于表5-1。兩類結(jié)構(gòu)在振型表現(xiàn)上是一致的，從基頻來看，鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)的基頻為0.157，略小于鋼筋混凝土空心墩連續(xù)剛構(gòu)的基頻0.196，其余各階頻率鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)均小于鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)，說明鋼管混凝土橋墩剛度較柔，對抗震有利。

表5 -1 兩種結(jié)構(gòu)體基本動力特性對比

表6 -1 成橋狀態(tài)各加載位置下的穩(wěn)定安全系數(shù)

2.4 穩(wěn)定性分析

高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋由于橋墩高，墩的柔度增大，剛度大大削弱，使得橋梁的穩(wěn)定性減弱[3]。因此，本小節(jié)對兩類結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性進行分析對比。

分別對兩類結(jié)構(gòu)體系進行全橋穩(wěn)定性分析，計算結(jié)果如表6-1所示。

從計算結(jié)果可以看出，鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)的各階穩(wěn)定安全系數(shù)小于鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)，但兩種結(jié)構(gòu)成橋階段的穩(wěn)定安全系數(shù)均遠(yuǎn)大于4，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

3 結(jié)論

通過對比鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)和鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)的地震作用效應(yīng)、動力特性和穩(wěn)定性，可以得出：

（1）采用鋼管混凝土橋墩的連續(xù)剛構(gòu)墩身地震內(nèi)力響應(yīng)明顯小于采用鋼筋混凝土橋墩的連續(xù)剛構(gòu)墩身內(nèi)力，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)小。

（2）從各階頻率和周期來看鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)的各階頻率略大于鋼筋混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)，說明鋼管混凝土橋墩剛度較小，對抗震有利。

（3）鋼管混凝土橋墩連續(xù)剛構(gòu)的橋墩較柔但其成橋階段的穩(wěn)定系數(shù)遠(yuǎn)大于4，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

（4）通過對比發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土橋墩的抗震性能優(yōu)于鋼筋混凝土橋墩，與鋼筋混凝土橋墩相比更適合于高烈度重山區(qū)大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)設(shè)計時采用。