大跨刚构桥桥墩抗震优化设计

关艳果

(上海同季土木工程设计有限公司，上海 200092)

0 引言

随着我国西部开发脚步的不断加快，越来越多的桥梁建设项目在新疆等地的城市及公路规划中出现。我国西部地区地形条件错综复杂，沟壑林立，为适应地形条件需要，T形刚构桥在路网规划中成为一种司空见惯的桥梁形式。而西部大部分地区地震基本烈度较高，结合工程情况对桥梁地震动响应进行深入细致的分析具有重大的实际意义。尤其是“5·12”地震之后，地震给人们带来的巨大经济及精神损失重新被给予了足够的重视。在不断采用新材料、新形式的桥梁构件的同时，如何通过对结构本身进行优化从而减小地震给桥梁带来的破坏更具重要性。因此，本文通过工程实例，分析了两种不同形式的桥墩截面及不同墩高在抗震设计中的优劣，从而给实际的工程项目提出更为合理的形式及尺寸。

1 连续刚构桥的地震响应

1.1 工程设计基本资料

本文选取位于新疆呼图壁县境内的呼图壁河上的呼图壁河大桥作为对象进行模拟分析。该桥的跨径布置为90 m+150 m+90 m现浇预应力混凝土变截面单箱单室刚构桥，桥面宽度10 m，边支点梁高3.5 m，墩顶主梁梁高8.5 m，梁高沿跨径方向按二次抛物线变化，拟采用墩高分别为35 m，40 m，桥墩截面形式为双柱式薄壁墩和空心墩两种，两种桥墩截面尺寸拟定时基本保持面积相同，箱梁及桥墩截面主要尺寸如图1，图2所示。

本桥基础采用承台桩基础，中墩承台厚4.5 m，桩基直径2.2 m，桩长40 m。

1.2 空间有限元模型

采用有限元分析软件midas对该桥进行建模分析，主梁与桥墩均采用3D梁单元，质量转换采用集中质量转换，将箱梁及墩柱自重、桥面铺装、栏杆均进行质量转换。边支座及墩底均采用弹性支撑来模拟支座及地基土对结构的约束作用。在其他条件完全相同的情况下，分别采用两种桥墩截面、两种墩高来建立分析模型。

刚构有限元模型见图3。

图2 墩柱截面（单位：cm）

1.3 参数选取

该桥所处的场地类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为8度，地震动加速度峰值 0.3g。

结构特性分析类型采用lanczos法，阵型数量取值为20，阵型组合类型采用CQC，采用反应谱分析对顺桥向及横桥向地震响应进行分析。

图3 刚构有限元模型（双柱式薄壁墩）

2 分析结果

2.1 自振特性

分别采用35 m双柱式薄壁墩、空心墩，40 m双柱式薄壁墩、空心墩建立的分析模型，其自振特性如表1，表2所示。

表1 结构自振特性(墩高35 m)

表2 结构自振特性(墩高40 m)

由表1，表2可以看出，采用双柱式薄壁墩能适当减小结构自振频率，且墩柱高度适当增大后自振频率减小。

2.2 结构响应

四个分析模型的结构响应分析结果见表3，表4。

通过表3，表4可以看出，在外部边界条件相同，墩柱惯性矩相同的条件下，采用双柱式薄壁墩时，墩顶及墩底内力比采用空心墩平均减小约43%，但墩顶竖桥向、横桥向位移和主梁跨中弯矩则相应增大;在结构形式相同的情况下，墩高采用40 m时的墩顶、墩底内力比采用35 m时明显减小，但墩顶、墩底及跨中弯矩也会适当增大。

表3 结构响应最大值(墩高35 m)

表4 结构响应最大值(墩高40 m)

3 结语

1)采用薄壁式桥墩，适当增加墩柱高度可以减小结构的自振频率，对汽车冲击力等外部激励下结构的响应会产生一定的影响。

2)通过对本桥结构动力特性的分析可知，在地震作用下，采用双柱式薄壁式桥墩减小了墩顶及墩底弯矩，但跨中弯矩及墩顶位移比采用空心墩要大，因此在实际的工程应用中要权衡其利弊，选择更为符合项目特点的墩柱截面形式。

3)通过对不同墩号的计算模型的分析可以得知，墩高越大，在地震作用下墩顶和墩底产生的内力就越小，由此也可以看出，墩柱刚度越小，地震作用下的内力就越小，但也会导致墩顶位移增大，在工程应用中须对其引起足够的重视，可采取配套的限位措施。

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