大跨径连续刚构单双肢桥墩形式动力性能研究

杭海侠 宋彦平 汤兆新

0 引言

从1988年由我国设计的第一座主跨180 m的大跨径连续刚构桥——广东洛溪大桥建成通车后,连续刚构的突出优点使得这种桥型在我国得到了广泛的应用和推广。随着桥梁设计过程中计算技术的广泛应用,加之大跨度桥梁施工水平的不断提高,特别是桥梁悬臂施工技术的改进和成熟,对混凝土收缩、徐变、温度变化、预应力作用、墩台不均匀沉降等引起的附加内力研究的逐渐深入和问题的不断解决,大跨度的连续刚构桥已成为主要的桥梁结构形式。研究连续刚构桥不同结构形式桥墩具有十分重要的理论和现实意义。

1 工程概况

以某大跨度连续刚构桥为工程背景进行研究,主跨为90 m+160 m+90 m连续刚构桥,主梁采用单箱单室、三向预应力混凝土箱形截面。全桥总长346 m。主梁采用预应力混凝土结构,混凝土强度等级为C50。主梁采用单箱单室直腹板截面,箱梁顶板宽12 m,两悬臂板长2.7 m,箱梁底宽6.6 m,顶面不设横坡。根部梁高9.8 m,为中跨跨度的1/16.94,跨中梁高3.8 m,为中跨跨度的1/43.68;主梁高度按1.8次抛物线变化,悬臂端部板厚0.18 m。主墩采用C50混凝土,单肢箱形结构,墩顶纵桥向宽6 m,横桥向宽6.6 m,1号墩纵、横桥向均按100∶1放坡,2号墩纵、横桥向均按80∶1放坡,壁厚均为0.9 m。

2 桥墩形式选择

从20世纪80年代以来连续刚构桥的发展情况来看,主墩一般考虑设计成柔性墩,由于温度变化、混凝土收缩、徐变及制动力,使桥梁上部结构产生较大内力和变形位移,因此桥墩除了满足支撑上部结构质量、活载和稳定的要求之外,还要有一定的柔度,设计中一般利用柔墩适应结构的这种变形。在墩身的布置上,一般采用双肢墩身,其水平抗推刚度较小,双肢墩亦可减小梁的负弯矩峰值,而且又有较大的抗弯刚度。双肢墩身一般为双薄壁实心墩和双薄壁箱形截面,但近年来双薄壁空心墩有逐步取代双薄壁箱形墩的趋势。当然当桥墩很高时,也可以采用单肢实心墩或单肢空心墩。具体采用哪种形式要综合考虑结构受力、跨度大小、墩高、造型环境以及施工、造价等因素。

3 有限元模型

本研究采用空间有限元方法分别建立了3种工况下单双肢桥墩形式的空间有限元计算模型。主梁、主墩均采用每个节点6个自由度(包括3个线位移自由度和3个角位移自由度)的空间梁单元模拟;另外,还考虑了桩基和土的共同作用,把桩基础考虑成一段一段的三维梁单元,单元的质量集中在节点上,主墩桩基周围土的约束作用可用等代土弹簧来代替。等代土弹簧的刚度系数与土层的厚度、桩柱的计算宽度、土层的深度以及土介质的m值有关,支座作用通过对梁部支座处相应节点的约束来模拟。主梁与主墩之间、主墩墩底与桩顶之间均通过刚臂连接。两种模型除了桥墩形式不同外,其余方面完全相同。

4 计算结果分析

结构动力特性的计算既可验证计算模型的精度,又是进一步进行地震响应分析的基础。对单肢桥墩三种不同工况下的空间有限元模型对该桥进行计算,得到前10阶自振频率及相应的振型特征,如表1所示。对双肢桥墩三种不同工况下的空间有限元模型对该桥进行计算,得到前10阶自振频率及相应的振型特征,如表2所示。

表1 单肢箱形墩频率和振型表

计算结果表明,三种不同的工况下计算得到的单双肢桥自振频率值较接近,各阶自振频率相对应的振型特征基本一致,可知两种方案结构体系整体质量与刚度分布一致。单双肢模型在成桥状态下,二者的振型特征完全一致,单肢桥墩的自振频率要稍大于双肢桥墩,说明在成桥状态下,两种桥墩形式的动力性能不相上下。在最大伸臂工况下,二者的振型特征基本一致,单肢桥墩模型的前几阶频率要大于双肢桥墩模型的频率。在最大双伸臂工况下,单肢桥墩模型的前几阶频率要大于双肢桥墩模型的频率;双肢桥墩模型的振型中出现了主墩扭转,这在施工过程中是不利的;单肢桥墩形式的模型在三种工况下始终都没有出现扭转,单肢箱形墩方案自振频率值明显较双肢箱形墩方案大,可知单肢箱形墩刚度较双肢实体墩刚度大。由此可见,单肢桥墩形式相比于双肢桥墩形式在动力性能上有优势。

表2 双肢箱形墩频率和振型表

5 结语

连续刚构桥桥墩是连续刚构桥重要的组成部分,其力学性能的优劣直接决定着桥梁整体动力特性,因此研究连续刚构桥不同结构形式桥墩具有十分重要的理论和现实意义。本文着重研究连续刚构桥桥墩两种不同的形式单双肢桥墩的动力性能,通过比较,单肢桥墩形式相比于双肢桥墩形式有明显的优势。此结论可为以后同类工程的设计提供参考。

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