深水高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁墩型設(shè)計(jì)探討

徐章潔

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

連續(xù)剛構(gòu)橋型由于其跨越能力大，施工方便，后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用少，在西部山區(qū)公路建設(shè)中是較為主流的橋型。由于西部山區(qū)面臨嚴(yán)峻的地震風(fēng)險(xiǎn)，特別是在水電站庫(kù)區(qū)特殊環(huán)境下，水下橋墩的震損監(jiān)測(cè)和修復(fù)十分困難，因此連續(xù)剛構(gòu)橋梁在水庫(kù)環(huán)境下的墩型選擇和抗震設(shè)計(jì)越來(lái)越受到重視。

連續(xù)剛構(gòu)橋梁的上部結(jié)構(gòu)通常采用變截面預(yù)應(yīng)力空心箱型梁，橋墩一般采用單肢或雙肢薄壁箱型截面[1]。高墩的設(shè)計(jì)關(guān)鍵包括墩身縱橫向剛度、墩頂彈性水平位移、墩身穩(wěn)定性等[2]，在主墩超過(guò)100m 時(shí)，除考慮主墩自身的強(qiáng)度剛度滿(mǎn)足要求外，還需考慮主墩墩型對(duì)交界墩的影響。本文以某水電站庫(kù)區(qū)深水高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁為背景，對(duì)比分析矩形空心墩與一種新型格構(gòu)式雙肢薄壁墩在考慮動(dòng)水壓力條件下的地震響應(yīng)分析對(duì)比，探討兩種不同墩型對(duì)交界墩地震響應(yīng)的影響，供同類(lèi)橋型設(shè)計(jì)作為參考。

2 工程概況

以某水電站庫(kù)區(qū)內(nèi)特大橋?yàn)槔?，其主橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為（120+220+120）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁寬度采用凈-11.0m（行車(chē)道）+2×0.75m(人行道)+2×0.25m（護(hù)欄），總寬13.0m；設(shè)計(jì)荷載需同時(shí)滿(mǎn)足公路-Ⅰ級(jí)及汽-60 級(jí)。

該橋主梁采用三向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁采用單箱單室截面。箱頂板寬13m，底板寬7m。箱梁根部梁高14.5m，中跨跨中及現(xiàn)澆合龍段梁高4.5m，箱梁底板下緣按1.8 次拋物線(xiàn)變化。

交界墩采用單箱單室空心墩，墩高分別為81m 及88m，縱橋向墩頂寬4m，墩底寬分別為6.025m 及6.2m，按1：80 放坡；橫橋向墩頂寬7.2m，墩底寬分別為9.225m 及9.4m，按1：80 放坡；墩壁厚60～80cm，墩底設(shè)2.5m 高的實(shí)心段。

本橋主墩墩高達(dá)到172m，其交界墩也均超過(guò)80m 高度，在水電站庫(kù)區(qū)正常蓄水位狀態(tài)下，主墩淹沒(méi)水深達(dá)到165m，交界墩淹沒(méi)水深達(dá)到67m，因此，地震工況下，水體對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性會(huì)產(chǎn)生顯著的影響。目前工程上一般采用附加橋墩一定范圍的水體質(zhì)量來(lái)體現(xiàn)這種墩和水在運(yùn)動(dòng)情況下的耦合作用。本橋設(shè)計(jì)時(shí)，采用賴(lài)偉等[3]提出的矩形截面柱體單位高度上動(dòng)水附加質(zhì)量的等效公式來(lái)計(jì)算附加質(zhì)量的數(shù)值。

3 高墩結(jié)構(gòu)型式的選擇

為探討主墩墩型設(shè)計(jì)對(duì)交界墩地震響應(yīng)的影響，交界墩采用相同的矩形空心薄壁墩，而主墩分別采用：a.單箱單室矩形空心薄壁墩；b. 設(shè)置橫向聯(lián)系的新型格構(gòu)式雙肢薄壁墩，以進(jìn)行對(duì)比分析。

單箱單室矩形空心薄壁墩設(shè)計(jì)構(gòu)造尺寸為：縱橋向墩頂寬11m，墩底寬13.04m，上部70m 范圍內(nèi)寬度不變，下部按1：100 放坡；橫橋向墩頂寬7m，墩底寬12.734m，按1：60 放坡；墩壁厚70～90cm，墩底設(shè)3.0m 高的實(shí)心段。

格構(gòu)式雙肢薄壁墩是一種新型橋墩形式，是在傳統(tǒng)雙薄壁橋墩基礎(chǔ)上，采用彼此交叉的鋼管作為相鄰橋墩的橫向連接，從而形成的一種復(fù)合式橋墩。格構(gòu)式橋墩由于采用輕質(zhì)高強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)空心矩形橋墩混凝土用量小；相鄰兩薄壁橋墩之間由于采用鋼結(jié)構(gòu)作為橫向連接，較雙肢薄壁橋墩具有較強(qiáng)的縱橋向剛度，有效控制地震作用下主梁的縱向位移。為便于對(duì)比，在保證豎向剛度（橫截面積）、無(wú)水狀態(tài)下自振周期與矩形空心薄壁墩相近的前提下，擬定格構(gòu)式雙肢薄壁墩的構(gòu)造尺寸為：?jiǎn)沃v橋向?qū)挾?.2m，橫橋向?qū)挾葹?2.6m，兩肢縱橋向中心間距為8m，橫向連接采用Q355 鋼材，鋼管直徑0.35m，壁厚40mm，其有限元模型如圖2 所示。

圖1 某大橋總體布置圖

圖2 格構(gòu)式雙肢薄壁墩有限元模型

圖3 格構(gòu)式雙肢薄壁墩局部細(xì)節(jié)

4 矩形空心墩與格構(gòu)式橋墩對(duì)交界墩地震響應(yīng)的對(duì)比分析

根據(jù)以上構(gòu)造尺寸，分別建立兩種不同主墩墩型的全橋SAP2000 三維有限元模型，以順橋向?yàn)閤 軸，橫橋向?yàn)閥 軸，豎向?yàn)閦 軸。其中主梁、橋墩均采用三維梁?jiǎn)卧M，其中主梁采用單梁式力學(xué)模型。

采用動(dòng)水附加質(zhì)量方法考慮地震與動(dòng)水的相互作用，如圖4 所示，對(duì)于格構(gòu)式橋墩，當(dāng)橋墩沿縱橋向振動(dòng)時(shí)，橋墩迎水寬度D 與矩形橋墩相當(dāng)；而當(dāng)橋墩沿橫橋向振動(dòng)時(shí)，由于雙薄壁墩中間橫向連接系截面尺寸較小，可以認(rèn)為對(duì)水無(wú)明顯阻擋，此時(shí)，相比于矩形橋墩，雙薄壁墩的迎水（阻水）寬度大大降低，從而顯著減小動(dòng)水附加質(zhì)量，有助于減小橋墩在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

圖4 迎水寬度D 對(duì)比（橋墩斷面俯視圖）

選取三條汶川地震波（分別計(jì)為：MXNX、MZQP、SFBJ）作為地震輸入，并將三條地震波的的峰值加速度調(diào)整至0.17g，計(jì)算主橋在“縱向+豎向”，“橫向+豎向”地震作用下的地震響應(yīng)。由于通常情況下，E2 地震作用下的地震響應(yīng)起控制作用，因此本文僅列出5#、8#交界墩關(guān)鍵截面在E2 地震作用下的內(nèi)力對(duì)比結(jié)果，其關(guān)鍵截面的選取如表1 所示。

表1 橋都控制截面位置表

表2 橋墩關(guān)鍵截面地震內(nèi)力響應(yīng)（輸入-E2-MXNX）

表3 橋墩關(guān)鍵截面地震內(nèi)力響應(yīng)（輸入-E2- MZQP）

圖5 橋墩關(guān)鍵截面軸力響應(yīng)對(duì)比（MXNX）

圖6 橋墩關(guān)鍵截面彎矩響應(yīng)對(duì)比（MXNX）

圖7 橋墩關(guān)鍵截面軸力響應(yīng)對(duì)比（MZQP）

圖8 橋墩關(guān)鍵截面彎矩響應(yīng)對(duì)比（MZQP）

圖9 橋墩關(guān)鍵截面軸力響應(yīng)對(duì)比（SFBJ）

從表2～表4，圖5～圖10 的對(duì)比可知，相比于矩形空心薄壁墩墩型，在縱橋向地震作用下，采用格構(gòu)式雙肢薄壁墩的深水連續(xù)剛構(gòu)橋的交界墩，其彎矩響應(yīng)略有增大；而在橫橋向地震作用下，交界墩的彎矩響應(yīng)有一定減小。這是因?yàn)楦駱?gòu)式橋墩在橫向振動(dòng)時(shí)，雙薄壁墩中間連接系對(duì)水無(wú)明顯阻擋，橋墩斷面的阻水寬度較空心矩形明顯減小，從而減小動(dòng)水附加質(zhì)量，最終減小橋梁在橫橋向地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

表4 橋墩關(guān)鍵截面地震內(nèi)力響應(yīng)（輸入-E2- SFBJ）

圖10 橋墩關(guān)鍵截面彎矩響應(yīng)對(duì)比（SFBJ）

5 結(jié)論

相對(duì)比單箱單室矩形空心墩，新型格構(gòu)式雙肢薄壁墩在橫橋向地震作用下，能使交界墩的地震彎矩相應(yīng)減小，此外，格構(gòu)式雙肢薄壁墩具有如下優(yōu)點(diǎn)：混凝土用量??；鋼結(jié)構(gòu)連接系在地震作用下可以通過(guò)屈服、變形方式耗散能量且易于更換。因此，格構(gòu)式雙肢薄壁墩型具有一定的抗震性能優(yōu)勢(shì)，可為深水連續(xù)剛構(gòu)橋梁橋墩型式的抗震設(shè)計(jì)提供一定的借鑒參考。