橋墩類(lèi)型對(duì)曲線連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)性能影響研究★

劉騰龍，孔 君，李 震 ，許夢(mèng)旗 ，尹俊紅

(1.中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司,北京 100176; 2.河南大學(xué)土木建筑學(xué)院,河南 開(kāi)封 475004)

復(fù)雜山區(qū)橋梁由于受地形條件限制,往往需要跨越較大的河流或峽谷,橋梁結(jié)構(gòu)一般采用高墩、大跨的結(jié)構(gòu)形式[1]。曲線連續(xù)剛構(gòu)橋具有適應(yīng)道路線形、行車(chē)舒順、整體性好的優(yōu)點(diǎn),在山區(qū)高等級(jí)公路工程中得到廣泛推廣。

在曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩設(shè)計(jì)中,穩(wěn)定性是需要關(guān)注的問(wèn)題。在地震多發(fā)地區(qū),進(jìn)行橋墩選型時(shí),也需考慮其抗震性能。同時(shí),由于曲線剛構(gòu)橋平面線形的不規(guī)則,在進(jìn)行抗震研究時(shí),有必要進(jìn)行多維地震波輸入[2]。王俏[3]針對(duì)組合形式橋墩,進(jìn)行了彈性穩(wěn)定分析,得到了組合式橋墩合理分界點(diǎn)的位置。鄢芳華、彭順顯[4]分析了不同主墩形式下連續(xù)剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn),指出整體式空心矩形薄壁墩在承載力、穩(wěn)定性、抗震性能等方面與組合式橋墩截面的橋墩形式相比較更具有優(yōu)勢(shì),能夠更好的適用于山區(qū)高墩連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩。王東升等[5]提出對(duì)于高墩大跨度變截面剛構(gòu)橋,主梁抗震問(wèn)題應(yīng)引起重視。盧澤睿等[6]對(duì)不同地震激勵(lì)方向的曲線連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析,指出高墩多跨曲線連續(xù)剛構(gòu)橋的最不利地震輸入方向并不是橫橋向和縱橋向。

本文以某高速公路實(shí)際工程曲線連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)閷?duì)象,研究了不同類(lèi)型的橋墩對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性和抗震性能的影響,以期為以后橋梁工程中橋墩墩型的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

以某高速公路工程橋梁為研究背景,其橋跨布置為65 m+120 m+65 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋,橋梁主墩為84.0 m。曲線橋平面位于半徑為2 200 m的左偏圓曲線上。橋梁分幅設(shè)置,橫斷面12.75 m=0.5 m(防撞護(hù)欄)+11.75 m(機(jī)動(dòng)車(chē)道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用C55混凝土,采用單箱單室截面,按1.8次方拋物線梁高自跨中3.0 m過(guò)渡至墩頂7.3 m。

2 結(jié)構(gòu)性能分析

2.1 穩(wěn)定性分析

單肢空心薄壁墩截面尺寸為6.75 m×6 m,雙肢空心薄壁墩截面尺寸為6.75 m×3 m,雙肢間距6 m。主墩與主梁之間的連接方式采用剛接約束,主墩墩底完全固結(jié)。有限元模型如圖1,圖2所示。

2.1.1 懸臂施工階段

兩種橋墩最大懸臂階段前五階穩(wěn)定性系數(shù)及失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)表1。

表1 最大懸臂階段穩(wěn)定系數(shù)

分析知,最大懸臂狀態(tài)下,單肢薄壁墩一階穩(wěn)定系數(shù)大于雙肢薄壁墩的一階穩(wěn)定系數(shù),相差4.7%;兩種橋墩的截面橫向剛度都大于截面縱向剛度,兩墩的一階失穩(wěn)模態(tài)均表現(xiàn)為縱向側(cè)傾;前三階時(shí)單肢薄壁墩與雙肢薄壁墩的失穩(wěn)模態(tài)相同,三階以后雙肢薄壁墩的失穩(wěn)模態(tài)均為縱向失穩(wěn),這是由于雙肢薄壁墩的縱向剛度要比橫向剛度小的多。兩種橋墩的前五階穩(wěn)定系數(shù)都大于4,均滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求[7-8]。

2.1.2 成橋階段

兩種橋墩主橋成橋階段前五階穩(wěn)定系數(shù)和失穩(wěn)模態(tài)見(jiàn)表2。

表2 成橋階段穩(wěn)定系數(shù)

由表2可知,在成橋階段時(shí),單肢薄壁墩前三階的失穩(wěn)模態(tài)較最大懸臂階段時(shí)的失穩(wěn)模態(tài)發(fā)生變化,前兩階變?yōu)殡p向側(cè)傾,第一階雙向側(cè)傾以縱向側(cè)傾為主,第二階雙向側(cè)傾以橫向側(cè)傾為主,第三階變?yōu)闄M向彎曲,這說(shuō)明成橋階段橋墩的縱向剛度有所提高。單肢薄壁墩穩(wěn)定系數(shù)較最大懸臂階段有著大幅提高,為199%,雙肢薄壁墩穩(wěn)定系數(shù)較最大懸臂階段提高17%,且單肢薄壁墩高于雙肢薄壁墩的穩(wěn)定性;單肢薄壁墩與雙肢薄壁墩的穩(wěn)定系數(shù)均大于最大懸臂階段的穩(wěn)定系數(shù),是由于橋梁在合龍之后,結(jié)構(gòu)由原來(lái)的靜定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為超靜定結(jié)構(gòu),橋墩約束條件發(fā)生了改變,從而使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高。

2.1.3 曲率半徑對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響

以成橋階段的連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)檠芯繉?duì)象,除曲率半徑以外的各項(xiàng)參數(shù)不變,將曲率半徑分別設(shè)置為2 200 m,2 000 m,1 000 m,800 m,500 m。所得一階穩(wěn)定系數(shù)如圖3所示。

由圖3可知,曲率半徑從2 200 m減小到500 m時(shí),單肢空心薄壁墩的一階穩(wěn)定系數(shù)隨著曲率半徑的減小呈現(xiàn)出細(xì)微下降的趨勢(shì),約2%,而雙肢空心薄壁墩的一階穩(wěn)定系數(shù)隨曲率半徑的減小呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),提高0.3%,表明曲率半徑的改變對(duì)該橋梁穩(wěn)定性的影響并不顯著,但單肢薄壁墩的一階穩(wěn)定系數(shù)仍遠(yuǎn)大于雙肢薄壁墩的穩(wěn)定系數(shù)。單肢空心薄壁墩失穩(wěn)模態(tài)為雙向側(cè)傾,雙肢空心薄壁墩失穩(wěn)模態(tài)都為縱向側(cè)傾,說(shuō)明雙肢薄壁墩對(duì)于主梁的扭轉(zhuǎn)有更好的約束作用,減小了傾覆力矩。

2.2 地震響應(yīng)

橋梁結(jié)構(gòu)位于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地,采用兩條天然波(Elcentro波,Imperial Valley波)和一條人工波(蘭州波),歸一化地震波見(jiàn)圖4。規(guī)定順橋向?yàn)閮蓸蚺_(tái)連線方向,橫橋向與之垂直。進(jìn)行雙向激勵(lì)下的地震響應(yīng),8度地震下的水平輸入加速度峰值調(diào)整為0.2g。雙向輸入時(shí),水平(E-W)、橫向(N-S)地震波峰值之比為1∶0.85[9-10]。

表3為各地震波激勵(lì)下的主梁跨中和邊跨跨中豎向彎矩、扭矩、墩軸力地震響應(yīng)峰值。

單肢墩一階頻率為0.29 Hz,雙肢墩一階頻率為0.22 Hz。由表3可知,采用雙肢墩時(shí),主梁中跨和邊跨跨中彎矩要比采用單肢墩減少42%～62%和54%～63%,扭矩的減少幅度為22%～38%和20%～45%,墩底軸力增加了82%～260%。分析可知,相比采用單肢墩,采用雙肢墩可以有效降低主梁跨中彎矩及扭矩,結(jié)構(gòu)頻率也有所降低,但同時(shí)會(huì)增大雙肢墩的軸力需求。

3 結(jié)論

本文以實(shí)際工程為例,研究了橋墩類(lèi)型對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋薄壁高墩穩(wěn)定性及抗震性能的影響,主要結(jié)論如下:

1)最大懸臂階段和成橋階段的單肢薄壁墩穩(wěn)定性高于雙肢薄壁墩的穩(wěn)定性,穩(wěn)定系數(shù)均大于4,均滿(mǎn)足穩(wěn)定性需求。

2)曲率半徑的改變對(duì)該橋梁穩(wěn)定性的影響并不顯著。雙肢薄壁墩對(duì)于主梁的扭轉(zhuǎn)有更好的約束作用,較單肢墩有相對(duì)更好的抗側(cè)傾能力。

3)在雙向地震波激勵(lì)下,雙肢薄壁墩的抗震性能更優(yōu),但同時(shí)也增加了橋墩的軸向力需求,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以重視。