空心與雙肢組合式橋墩抗震性能研究

陳 飛

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)的公路交通建設(shè)取得了突出成果，相應(yīng)的橋梁建設(shè)也進(jìn)入了新的發(fā)展期。在修建大跨度橋梁時(shí)，往往會(huì)因?yàn)榈匦位颦h(huán)境要求采用高橋墩，而高橋墩大跨徑橋梁也因?yàn)樽陨硖赜袃?yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。

在第二次世界大戰(zhàn)之后，高墩大跨徑橋梁才逐步發(fā)展應(yīng)用起來(lái)，通常高墩橋梁一般應(yīng)用在跨峽谷或深水處。我國(guó)的高墩大跨橋梁是從20 世紀(jì)70 年代開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的，雖然起步較晚但是發(fā)展十分迅速，墩高達(dá)100m 的南昆鐵路喜舊溪大橋是當(dāng)時(shí)中國(guó)修建的世界最高墩鐵路橋。20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，我國(guó)就修建了多座空心高墩橋，空心高墩能夠有效減小墩身的自重并提高橋梁的抗震性能。雙肢墩由于其出色的受力性能也廣受?chē)?guó)內(nèi)外學(xué)者好評(píng)。地震災(zāi)害古往今來(lái)時(shí)有發(fā)生，大地震的發(fā)生往往會(huì)給人民生命財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失，大量地震災(zāi)害調(diào)查表明：地震中許多橋梁的損毀都是以下部橋墩為主，故橋梁下部墩臺(tái)形式設(shè)計(jì)的合理與否關(guān)系到整座橋梁的質(zhì)量好壞。正因如此，對(duì)于不同形式的高墩抗震性能分析是十分重要的。文章通過(guò)對(duì)一種雙肢與空心墩組合形式橋墩的抗震性能研究，從而說(shuō)明該組合形式高墩比其他形式高墩抗震性能的優(yōu)越性，為同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程背景及模型建立

1.1 工程背景

某雙塔中央索面鋼混組合結(jié)構(gòu)高墩大跨度斜拉橋，邊跨采用混凝土箱梁，中跨為鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑為44.2+2×50+55.8+520+55.8+2×50+44.2=920m。鋼箱梁箱梁外觀(guān)與鋼箱梁協(xié)調(diào)一致，梁中心線(xiàn)處梁高3.525m，頂板寬27.5m，風(fēng)嘴寬度為1.5m，箱底板寬26.11m，全寬30.5m，索塔處塔梁固結(jié)。全橋共有6 個(gè)輔助墩、1 個(gè)過(guò)渡墩、1 個(gè)橋臺(tái)和拉索64 對(duì)。整體布置如圖1 所示。

橋梁主塔墩高為169m，其中下部柱墩處采用雙肢+空心墩設(shè)計(jì)，雙肢薄壁段高28m，空心墩段高39m。其截面構(gòu)造如圖2 所示。

1.2 模型建立

采用Midas 有限元軟件建立全橋分析模型，分別建立雙肢薄壁+空心墩模型與空心墩模型，對(duì)兩者進(jìn)行地震作用下的受力對(duì)比分析。為充分模擬橋梁在地震作用下的受力情況，建立模型時(shí)考慮樁土相互作用的影響，土剛度用規(guī)范中給定的“m”法計(jì)算；橋梁的主梁、主塔墩和輔助墩均采用梁?jiǎn)卧M，拉索用桁架單元模擬；拉索與主梁和橋塔采用剛性連接；根據(jù)設(shè)計(jì)要求，塔墩梁處采用剛性連接模擬橋梁的固結(jié)體系。模型中混凝土主梁采用C55 混凝土，主塔墩采用C50 混凝土，輔助墩采用C40 混凝土，各墩底樁基礎(chǔ)均采用C35 混凝土。中跨的鋼箱梁型號(hào)為Q345C。二期恒載與橋面鋪裝以均布荷載的形式施加在主梁上。兩種有限元模型如圖3、圖4 所示。

在進(jìn)行抗震性能分析時(shí)，采用時(shí)程分析法中的振型疊加法，對(duì)橋梁進(jìn)行E2 地震作用下（50 年超越概率2%）進(jìn)行分析，阻尼輸入方式為振型阻尼，阻尼比取0.03。地震波輸入采用人工擬合波，人工擬合的地震波需要與實(shí)際場(chǎng)地地震特性相符合，故進(jìn)行地震波擬合時(shí)應(yīng)考慮地震波的3 要素：頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間。根據(jù)以上要求擬合出3 條符合條件的地震波，并取3 條地震波計(jì)算結(jié)果的最大值進(jìn)行分析。用時(shí)程法分析時(shí)，地震波輸入方向?yàn)榭v向+豎向和橫向+豎向。其中，豎向地震作用按規(guī)范《公路橋梁抗震細(xì)則中》中規(guī)定的取水平地震波的0.65 倍。

圖1 白沙大橋整體布置圖（單位：cm）

圖2 橋梁主墩構(gòu)造

圖3 雙肢薄壁+空心墩模型

圖4 空心墩模型

2 結(jié)果分析

對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)行分析，分別提取兩模型主墩底內(nèi)力、塔底內(nèi)力和塔頂位移結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 主塔墩內(nèi)力

根據(jù)橋塔墩內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，提取數(shù)據(jù)制成表格，如表1 所示。

表1 橋塔墩內(nèi)力對(duì)比

根據(jù)上述結(jié)果可以得出：在地震動(dòng)輸入方向?yàn)榭v向+豎向時(shí)，組合式橋墩在主塔底、主墩頂和主墩底截面處的內(nèi)力明顯小于空心式橋墩內(nèi)力，其相應(yīng)截面處彎矩減小幅度分別為25.5%、14.3%、17.4%，其相應(yīng)截面處剪力減小幅度分別為19.6%、18.2%、12.1%；在地震動(dòng)輸入方向?yàn)闄M向+豎向時(shí)，組合式橋墩在主塔底、主墩頂和主墩底截面處的內(nèi)力略微的小于空心式橋墩內(nèi)力，其相應(yīng)截面處彎矩減小幅度分別為2.5%、3.1%、2.5%，其相應(yīng)截面處剪力減小幅度分別為1.6%、3.6%、2.1%。造成以上差異的原因是由于組合式橋墩在結(jié)構(gòu)形式上發(fā)生了較大的改變，使其在等效的截面形式下顯著提升了墩身的抗彎剛度，使墩身的受力分布更加合理。

2.2 塔墩位移

提取兩種模型的塔頂、墩頂位移數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表2 所示。

表2 橋塔墩頂位移

由上表結(jié)果可知：橋梁在兩種方向地震動(dòng)輸入情況下所得的塔頂和墩頂位移結(jié)果差值不大，最大差別發(fā)生在順向+豎向地震動(dòng)方向時(shí)主塔頂?shù)奈灰?，差值比?.6%，二者的位移誤差在實(shí)際工程中均屬于可接受范圍。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)建立兩種形式的橋墩模型，并對(duì)二者內(nèi)力和位移結(jié)果對(duì)比分析可得出以下結(jié)論：文章的組合式橋墩的內(nèi)力在縱向+豎向地震作用下要遠(yuǎn)小于空心式橋墩，但二者內(nèi)力在橫向+豎向地震作用下差別不大，說(shuō)明這種組合式橋墩抗震性能是要優(yōu)于空心式橋墩的。二者在兩種方向的地震作用下其關(guān)鍵截面處位移變形差異不大，說(shuō)明組合式橋墩在相同變形下其內(nèi)力要優(yōu)于空心墩?？偠灾M合式橋墩抗震性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的空心式橋墩，并且這種形式橋墩還能在保證結(jié)構(gòu)抗震性能基礎(chǔ)上減少材料用量，降低工程造價(jià)。