運(yùn)寶黃河大橋主橋橋墩優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

姚 廣

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

運(yùn)寶黃河大橋主橋跨徑為110 m+200 m×2+110 m 鋼腹板矮塔斜拉橋，采用塔、梁、墩固結(jié)體系，既避免了大噸位支座的情況，又增加了橋梁的整體抗震性能；最大墩高為45 m，由于墩身相對(duì)不高，而主橋跨徑相對(duì)較大，橋梁結(jié)構(gòu)本身對(duì)溫度反應(yīng)敏感，因此，主橋橋墩在整體升降溫荷載作用下，橋墩受力偏為不利，如何合理設(shè)計(jì)橋墩斷面型式成為橋梁設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。本文通過(guò)利用大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件建立主橋分析模型，分析在各不同工況下橋墩的不利狀態(tài)，分析不同橋墩斷面形式下橋墩受力特點(diǎn)，同時(shí)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的橋墩進(jìn)行主橋抗震分析，為橋梁設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2 橋墩縱向斷面方案

運(yùn)寶黃河大橋主橋址處于國(guó)家濕地自然保護(hù)區(qū)，為滿足黃委會(huì)關(guān)于主梁主跨大跨徑布置的要求，并充分考慮主橋橋墩相對(duì)較矮的不利狀況，大橋主梁采用波形鋼腹板斷面[1]，以減少上部結(jié)構(gòu)自重；主梁采用塔梁墩固結(jié)體系，橋墩在整體升降溫和地震力作用下，橋墩受力相對(duì)不利，因此，如何優(yōu)化橋墩縱向剛度是橋墩設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)；同時(shí)，考慮運(yùn)寶黃河大橋防冰凌需求，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮降低橋墩縱向剛度，采用了變截面設(shè)計(jì)和雙薄壁墩兩種方案[2]。

a）方案一 考慮運(yùn)寶黃河大橋冬季冰凌對(duì)大橋的影響，橋墩縱向設(shè)計(jì)采用抬高雙薄壁墩實(shí)心段高度，高出防凌水位1 m，同時(shí)考慮，實(shí)心段剛度相對(duì)薄壁墩較大，橋墩縱向采用變截面設(shè)計(jì)，坡率按1∶50 向下收窄橋墩斷面，橋墩在承臺(tái)處縱向?qū)挾葹?.2 m。

b）方案二 橋墩采用雙薄壁實(shí)心墩，壁厚2.2 m，縱向總寬9.0 m，為盡量減小橋墩縱向剛度，橫橋向橋墩中間部分挖空，壁寬7.5 m，橫向總寬23 m，橫向設(shè)防冰凌分水尖。

3 橋墩縱向斷面優(yōu)化

大橋采用大型有限元分析軟件建立橋梁有限元模型，主梁共205 個(gè)單元，拉索78 個(gè)單元，橋塔48個(gè)單元，橋墩按方案一、方案二分別建立有限元模型；計(jì)算橋墩在整體升溫25 ℃，降溫30 ℃下分析主橋橋墩（Z2～Z4）墩底內(nèi)力（彎矩/豎向力）。

表1 不同方案下主橋主墩墩底內(nèi)力對(duì)比

圖2 方案一有限元單元模型

圖3 方案二有限元單元模型

經(jīng)橋墩內(nèi)力對(duì)比分析，方案一墩底截面按雙層均布布置，裂縫計(jì)算寬度為0.28 mm，需進(jìn)行橋墩豎向預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性，為考慮大橋整體耐久性，同時(shí)經(jīng)對(duì)比分析方案二橋墩受力，能夠滿足雙層φ28 均布布置裂縫寬度小于等于0.20 mm 的要求，不需配置豎向預(yù)應(yīng)力鋼束。最終運(yùn)寶黃河大橋主橋橋墩采用雙薄壁實(shí)心斷面形式，圖4 為經(jīng)優(yōu)化過(guò)的主橋橋墩斷面形式。

圖4 優(yōu)化后橋墩斷面

4 抗震分析

橋墩斷面優(yōu)化后，建立主橋有限元抗震分析模型，按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中A 類橋梁對(duì)運(yùn)寶黃河大橋進(jìn)行抗震性能分析，采用50 年超越概率10%作為E1 地震作用和50 年超越概率2%作為E2 地震作用兩種地震動(dòng)水平進(jìn)行抗震設(shè)防計(jì)算；表2 為運(yùn)寶黃河大橋前10 階主要振型周期。

表2 運(yùn)寶黃河大橋動(dòng)力特性

為分析在地震力作用下橋墩的抗震性能，E1 地震作用下，結(jié)構(gòu)校核目標(biāo)是橋墩在彈性范圍內(nèi)工作，其地震反應(yīng)小于初始屈服彎矩；E2 地震作用下，結(jié)構(gòu)校核目標(biāo)是橋墩截面允許進(jìn)入屈服狀態(tài)，在進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，根據(jù)在恒載和地震作用下的軸力組合對(duì)主橋各橋墩、索塔最不利控制截面進(jìn)行M-φ 分析，得出各控制截面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震性能驗(yàn)算。

表3 E1 地震作用下橋墩各關(guān)鍵截面抗震驗(yàn)算結(jié)果

表4 E2 地震作用下橋墩各關(guān)鍵截面抗震驗(yàn)算結(jié)果

經(jīng)分析，在地震水平I 作用下，橋塔、墩柱截面其在地震作用下的截面彎矩均小于截面初始屈服彎矩（考慮軸力）My。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的初始屈服彎矩，因此當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)彎矩小于初始屈服彎矩時(shí)，整個(gè)截面保持在彈性，結(jié)構(gòu)基本無(wú)損傷。在地震水平Ⅱ作用下，橋塔、墩柱截面其在地震作用下的截面彎矩應(yīng)小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq（考慮軸力）。實(shí)際上，在地震過(guò)程中，對(duì)應(yīng)于等效抗彎屈服彎矩Meq，由于地震過(guò)程的持續(xù)時(shí)間比較短，地震后，由于結(jié)構(gòu)自重，地震過(guò)程開(kāi)展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足地震水平Ⅱ作用下局部發(fā)生可修復(fù)的損傷，地震發(fā)生后，基本不影響車輛通行的性能要求。

5 結(jié)論

通過(guò)優(yōu)化運(yùn)寶黃河大橋主橋橋墩斷面形式，使得橋梁在靜力和抗震分析中受力均能得到改善；大橋采用塔梁墩固結(jié)體系，橋墩縱向采用雙薄壁實(shí)心墩，在地震力作用下，利用雙薄壁墩縱向剛度小的優(yōu)點(diǎn)，使得地震效應(yīng)減小，同時(shí)充分利用波形鋼腹板減重以減輕地震作用帶來(lái)的不利影響，達(dá)到滿足規(guī)范設(shè)計(jì)的要求, 本橋墩優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)大跨矮墩的設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。