大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋單雙肢主墩靜動(dòng)力性能分析

劉敏劍

廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507

連續(xù)剛構(gòu)橋橋型簡潔明快，橋面視野開闊，行車視線好，設(shè)計(jì)、施工技術(shù)成熟，在國內(nèi)外大跨度橋梁中應(yīng)用廣泛。連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩一般可采用單肢或雙肢墩。雙肢墩具有較大的順橋向抗彎和橫橋向抗扭剛度，且削峰效應(yīng)可改善主梁墩頂受力；同時(shí)雙肢墩具有順橋向抗推剛度小的特點(diǎn)，可有效減小溫度、混凝土收縮徐變次內(nèi)力和地震響應(yīng)。因此，雙肢墩受到廣大橋梁設(shè)計(jì)工作者的青睞。但雙肢墩施工較為煩瑣，且抗船撞能力較弱；隨著墩高的增加，單肢空心墩柔性變大，將改善總體受力[1]。因此在墩高較高時(shí)，單肢空心墩也是可選的墩身形式。文章以某跨江大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)槔謩e對雙肢墩和單肢墩兩種橋墩方案進(jìn)行建模計(jì)算，分析對比了兩種橋墩方案下結(jié)構(gòu)的靜力及動(dòng)力特性，對于類似項(xiàng)目具有一定的參考意義。

1 工程概況

某連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑布置為（85+150+85）m，其主橋立面圖如圖1所示。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

主梁采用單箱單室截面，箱梁頂寬16.5m，底寬8m；根部梁高9m，跨中梁高3.8m。底板厚度由根部1.0m漸變至0.32m，頂板厚度為0.32m。剛構(gòu)橋一端連接橋臺(tái)，另一端連接過渡墩。該橋橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，反應(yīng)譜特征周期為0.7s。

雙肢實(shí)心墩幾何參數(shù)的主要影響因素有橋梁主孔跨徑L、墩高H、雙壁凈距S和壁厚b，它們與結(jié)構(gòu)靜力效應(yīng)之間存在復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)已建連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)資料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的多元線性回歸擬合得到以下公式[2]：

結(jié)合我國橋梁的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，雙肢實(shí)心墩肢中距一般為墩高的1/5～1/4[3]，單肢空心墩厚度一般取肢中距的1/6～1/4。

綜上，同時(shí)考慮墩柱截面的靜動(dòng)力強(qiáng)度，分別擬定單肢空心墩、雙肢實(shí)心墩尺寸，主墩主要尺寸表如表1所示。

表1 主墩主要尺寸表

2 模型建立

采用Midas軟件建立空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算，兩種橋墩形式的主橋有限元模型如圖2所示。該橋采用50年10%（E1工況）和50年2.5%（E2工況）2種超越概率地震動(dòng)進(jìn)行抗震驗(yàn)算。要求橋墩、基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)重要受力構(gòu)件在E1工況下基本不發(fā)生損傷，結(jié)構(gòu)保持在彈性范圍工作；在E2工況下局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，但要求地震發(fā)生后不需要修復(fù)仍可維持車輛的通行。

圖2 兩種橋墩形式的主橋有限元模型

3 靜力對比分析

3.1 施工階段

主墩關(guān)鍵截面對比分析：主墩在最大懸臂狀態(tài)階段為控制工況，除箱梁自身齒板不對稱重量外，計(jì)算同時(shí)考慮一下幾個(gè)不平衡荷載。

最后一個(gè)懸臂澆筑梁段不同步施工，一端滿載，一端半載；施工不平衡堆載，按3kN/m考慮；主梁及主墩承受順橋向及橫橋向風(fēng)荷載。根據(jù)有限元計(jì)算，提取最大懸臂狀態(tài)下主墩關(guān)鍵截面的基本組合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如表2所示。兩種主墩橫橋向及順橋向截面均配置間距為15cm的雙層C32主筋。由表2可知，兩種主墩形式的橫橋向及順橋向承載能力均滿足規(guī)范要求。同時(shí)，雙肢墩在橫橋向及順橋向的安全儲(chǔ)備均優(yōu)于單肢墩。

表2 最大懸臂施工階段主墩強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

提取最大懸臂狀態(tài)下主墩關(guān)鍵截面的頻遇組合內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，如表3所示。由表3可知，單肢墩及雙肢墩的橫橋向未出現(xiàn)裂縫，雙肢墩順橋向出現(xiàn)裂縫，寬度為0.08mm，單肢墩抗裂性能較好。

表3 最大懸臂施工階段主墩抗裂計(jì)算結(jié)果

3.2 成橋階段

（1）主梁關(guān)鍵截面內(nèi)力對比分析。提取成橋階段主梁邊跨跨中、邊跨L/4、主墩墩頂、中跨L/4及中跨跨中等關(guān)鍵截面應(yīng)力進(jìn)行對比，如表4所示。由表4可知，由于雙肢墩對主梁墩頂?shù)膹澗赜忻黠@的削峰作用，降低了主墩墩頂負(fù)彎矩，增大了主梁頂緣壓應(yīng)力。除主墩墩頂截面外，其余截面處主梁頂?shù)拙墤?yīng)力變化均為超過5%。因此，主墩截面形式對主梁應(yīng)力影響不大。

表4 成橋階段主梁關(guān)鍵截面應(yīng)力結(jié)果 單位：MPa

（2）主墩關(guān)鍵截面內(nèi)力對比分析。提取基本組合及頻遇組合下的主墩墩頂?shù)钻P(guān)鍵截面內(nèi)力進(jìn)行對比驗(yàn)算，如表5所示。由表5結(jié)果可知，兩種體系下主墩的強(qiáng)度及裂縫驗(yàn)算均能滿足規(guī)范要求，但單肢墩強(qiáng)度富裕度比雙肢墩大，且在頻遇組合下，截面始終保持受壓狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生裂縫，雙肢墩墩底及墩頂均產(chǎn)生裂縫。

表5 基本組合及頻遇組合主墩關(guān)鍵截面內(nèi)力結(jié)果

4 動(dòng)力分析

4.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

分別對兩種主墩形式橋梁進(jìn)行動(dòng)力特征值分析和對比，兩種主墩形式自振頻率對比如表6所示。由表6可以得出，在兩種主墩方案下，除過渡墩外，主墩及主梁的振型序列不一致。單肢墩第4階主梁一階橫彎過渡墩參與度較高，周期大于雙肢墩的主梁一階橫彎周期。其余振型周期，雙肢墩均大于單肢墩，說明雙肢墩的縱向及橫向剛度均小于單肢墩。

表6 兩種主墩形式自振頻率對比

4.2 主墩受力

兩種主墩形式下主墩、過渡墩的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果如表7所示。

表7 兩種主墩形式下部結(jié)構(gòu)受力及承載能力對比

由表7可知，兩種主墩方案下，主墩、過渡墩在E2地震作用下均能滿足墩身彈性狀態(tài)的性能目標(biāo)。在縱向+豎向地震作用下，雙肢墩方案1#、2#主墩墩底均產(chǎn)生輕微損傷，而單肢墩方案只有2#主墩墩底產(chǎn)生輕微損傷。單肢墩方案受力性能更優(yōu)。

5 結(jié)論

（1）與雙肢墩相比，單肢墩縱橫向抗彎剛度較小，但縱向抗推剛度較大。單肢空心墩材料用量更省，抗扭剛度較大，有利于抵抗施工中的扭矩作用。

（2）雙肢墩對主梁墩頂彎矩有明顯的削峰作用，增大了墩頂主梁頂緣壓應(yīng)力。除主墩墩頂截面外，其余截面處主梁頂?shù)拙墤?yīng)力變化均超過5%，主墩方案對主梁應(yīng)力的影響不大。

（3）兩種主墩方案的上下部結(jié)構(gòu)均能滿足靜力及抗震要求，但單肢墩方案受力性能更優(yōu)。