橋墩系梁對連續(xù)剛構橋抗震性能的影響

陳學文，李宸華 ，鄭 楊

(1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650500； 2.浙江宏澄環(huán)境有限公司，浙江 杭州 310013)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，山區(qū)橋梁數(shù)量不斷增多，連續(xù)剛構橋具有T形剛構橋和連續(xù)梁橋的共同優(yōu)點，在中國西部山區(qū)的橋梁建設中被廣泛應用。雙肢薄壁墩是我中大、中跨徑橋梁的主要形式，它的構造特點是主梁與兩個相互平行的薄墩剛接。雙肢薄壁墩可減小主梁支反力峰值，增加橋墩剛度。雙肢薄壁墩既有一定柔性，又能保持橋墩穩(wěn)定，適應上部位移的需要。隨著墩高的增加，為了滿足橋墩整體抗彎剛度的要求，同時為了改善橋墩抵抗順橋向的水平力作用，常常在橋墩中增加橫向聯(lián)系。因橋墩高度的不同，合理的設置橋墩系梁個數(shù)對橋墩抗震非常重要。周興林[1]通過雙肢薄壁墩參數(shù)對連續(xù)剛構橋抗震影響分析，發(fā)現(xiàn)設置縱向橫系梁會增大橋梁的剛度。劉飛[2]對連續(xù)剛構橋抗震性能分析，認為橋梁結構的順橋向剛度要比橫橋向剛度大。龐興[3]通過對橫系梁設置對雙柱墩的抗震性能影響分析，得出設置橫系梁可以增加結構縱橫向抗彎剛度的結論。本文以某高墩連續(xù)剛構橋為依托，分析橋墩系梁對連續(xù)剛構橋抗震性能的影響。

1 工程背景

該剛構橋主跨徑為(90+170+90)m，承臺樁基為C30混凝土、橋墩為C50混凝土、主梁為C55混凝土。主梁為單箱單室結構，橋面寬12.5 m，跨中和端部高3.2 m，箱梁根部高10.5 m，其橋墩截面采用雙肢等截面矩形空心墩，承臺高3 m，樁基為D2.8 m的鉆孔灌注樁，通過地勘報告得到橋址處地震峰值加速度為0.30 g，抗震設防烈度為Ⅷ度，區(qū)劃特征周期為0.45 s。其橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置

2 有限元建模

2.1 參數(shù)選擇

在設計連續(xù)剛構橋時，往往會受到地形地勢、水上通航等限制，使得橋墩系梁數(shù)量不一致，不同系梁個數(shù)在地震作用下內(nèi)力分布不同，本文以改變2#橋墩系梁個數(shù)進行研究。保持1#橋墩不變，建立工況一2#橋墩無系梁，工況二在2#橋墩1/2處布置1根系梁，工況三在2#橋墩1/3和2/3處各布置1根系梁，工況四在2#橋墩1/4、2/4和3/4處各布置1根系梁。

2.2 模型構建

本文采用Midas/Civil有限元軟件建立全橋模型，主梁采用psc建模助手與懸臂澆筑聯(lián)合建模，主梁使用變截面梁單元，橋墩采用數(shù)據(jù)庫/用戶中的箱型截面，承臺與樁基、橋墩采用主從約束的剛性連接，橋墩與主梁之間采用彈性連接中的剛性連接，邊跨處的盆式橡膠支座采用彈性連接來模擬，樁基采用“m”法計算樁-土作用的影響并通過節(jié)點土彈簧來施加，主要計算荷載有結構自重和混凝土濕重等。利用節(jié)點荷載和單元荷載來施加恒載，全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

3 地震波輸入

本文通過Midas/Building，結合峰值加速度、特征周期及抗震設防烈度等選取符合本橋址的3條地震波。并依據(jù)規(guī)范要求將3條地震波中對橋梁影響最大的1條選取出來，然后利用有效峰值加速度EPA與有效峰值速度EPV，通過計算對每個方向的地震波放大系數(shù)進行調(diào)整,調(diào)幅后的San Fernando-291地震波如圖3所示。本文為了便于對比，在模擬抗震時，分別在E2罕遇地震作用下進行順橋向和橫橋向地震作用輸入。

圖3 San Fernando-291地震波

4 結果分析

4.1 動力特性分析

為了研究2#橋墩不同系梁個數(shù)對動力特性的影響，分別對本文4個工況采用多重Ritz向量法進行動力特性研究。自振特性前5階結果見表1～4。

表1 工況一自振特性

表2 工況二自振特性

表3 工況三自振特性

表4 工況四自振特性

從表1～4中可以看出，隨著2#橋墩系梁個數(shù)不斷增加，結構自振頻率不斷增加，當2#橋墩增加1個系梁、2個系梁、3個系梁時，第5階頻率變化比較明顯，分別增加10.8%、9.7%、1.6%。說明剛度逐漸增加，橋梁整體結構柔度變小。

4.2 動力彈性時程分析

其他參數(shù)不變，只改變2#橋墩系梁個數(shù)，通過墩底墩頂縱橫向彎矩峰值、墩底墩頂縱橫向剪力峰值[4-5]和墩頂縱橫向位移峰值[6-7]這6個時程分析結果做對比，多方位分析結構彈性階段地震作用下的響應情況。計算結果見表5～10。

表5 順橋向地震作用下墩底墩頂縱向彎矩峰值

表6 橫橋向地震作用下墩底墩頂橫向彎矩峰

由表5～6可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩系梁個數(shù)的增加，1#橋墩彎矩在縱橫向不斷減小，2#橋墩彎矩在縱橫向逐漸增大，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底彎矩增加了23.3%，1#橋墩墩底彎矩減小了4.8%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底彎矩增加了14.9%，1#橋墩墩底彎矩減小了3.3%。1#橋墩、2#橋墩彎矩隨2#橋墩系梁個數(shù)的增加呈現(xiàn)一定規(guī)律的增大或減小，2#橋墩比1#橋墩變化的幅度更明顯，說明隨著2#墩系梁個數(shù)的不斷增加，2#墩的受力會變得更加復雜，在受到地震作用時，受到破壞的可能性要大于1#墩。

由表7、8可知，在縱橫向地震作用下，隨著2#橋墩系梁個數(shù)的增加，1#橋墩縱橫向剪力減小，2#橋墩縱橫向剪力增大，但對2#橋墩內(nèi)力影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力增加了37.5%，1#橋墩墩底剪力減小了16.5%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩底剪力增加了29.8%，1#橋墩墩底剪力減小了8.4%。對于2#橋墩系梁個數(shù)的不斷增加，順橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果明顯強于橫橋向地震作用下的內(nèi)力。

表7 順橋向地震作用下墩底墩頂順向剪力峰值

表8 橫橋向地震作用下墩底墩頂橫向剪力峰值

由表9～10可知，在縱橫向地震作用下，1#橋墩、2#橋墩墩頂縱橫向位移隨著2#橋墩系梁個數(shù)的增加逐漸減小，但對2#橋墩影響較大。工況四與工況一相比，在順橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移減小了36.7%，1#橋墩墩頂位移減小了6.4%。在橫橋向地震作用下，2#橋墩墩頂位移減小了15.2%，1#橋墩墩頂位移減小了8.2%。對于2#橋墩系梁個數(shù)的逐漸增加，橋梁整體剛度增大，柔性變小，進而使墩頂位移不斷減小，1#橋墩相比2#橋墩剛度更小，柔度更大，所以在地震作用下2#橋墩減小幅度較明顯。

表9 順橋向地震作用下墩頂縱向位移峰值

表10 橫橋向地震作用下墩頂橫向位移峰值

5 結 語

本文以某連續(xù)高墩剛構橋為依據(jù)，以2#橋墩不同系梁個數(shù)為參數(shù)運用時程分析方法對不同工況下的模型進行罕遇地震作用下的模擬研究，得出以下幾點結論。

(1)在彈性時程作用下，連續(xù)剛構橋的自振頻率與2#橋墩系梁個數(shù)有聯(lián)系，2#橋墩系梁個數(shù)越多，自振頻率越大，橋梁剛度也越大，柔度也越小。以第5階頻率為例，增加1個橋墩系梁自振頻率增加了10.8%，但隨著橋墩系梁的不斷增加，自振頻率增加幅度不斷減小。

(2)隨著2#橋墩系梁個數(shù)的不斷增加，橫橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果明顯低于順橋向地震作用下的內(nèi)力影響效果。合理設置系梁個數(shù)可以適當調(diào)整橋墩彎矩值，并且隨著系梁個數(shù)的增大，2#橋墩彎矩增加的程度與1#橋墩彎矩減小的程度有所減小。

(3)隨著2#橋墩系梁個數(shù)的不斷增加，1#橋墩內(nèi)力值會逐漸減小，2#橋墩的內(nèi)力值會增加，但2#橋墩內(nèi)力增加幅度較大。所以在設計時要考慮不同墩高下設置不同個數(shù)的系梁，避免因系梁個數(shù)的不同導致橋墩的剛度相差過大，進而導致內(nèi)力分布不均勻，使橋梁受力不合理。