大跨度连续刚构桥抗震性能分析

谢群华

（东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏 南京 210096）

大跨度连续刚构桥抗震性能分析

谢群华

（东南大学建筑设计研究院有限公司，江苏 南京 210096）

双肢薄壁墩和单柱式墩是连续刚构桥的常用桥墩结构形式，为研究桥墩形式对桥梁的影响，以某连续刚构桥为基础，建立空间有限元模型，对比分析双肢薄壁墩和单柱式墩对连续刚构桥动力特性与地震相应的影响，研究预应力对桥梁地震响应和抗震性能验算的影响。结果表明，相同截面情况下，双肢薄壁墩比单柱式墩受力更为合理，预应力对刚构桥地震响应影响不大，但抗震性能验算时必须考虑预应力作用，且双肢墩的内外两肢受力要协调，避免正常使用状况下内外两肢内力相差过大。

双肢薄壁墩；单柱式墩；刚构桥；预应力；抗震性能

连续刚构桥具有造型优美、跨越能力强、施工方便、造价低等优点，近年来在我国山高谷深的西南、西北地区大量采用。2008年在汶川地震中庙子坪大桥是近年国内第一座大跨度连续刚构桥震害实例，主要震害是桥墩开裂和倾斜［1］，并且5号墩水下部分出现横向贯通裂缝，裂缝宽度达0.8 mm。刚构桥的易损部位位于墩顶和墩底［2-3］，由于刚构桥一般跨越峡谷或河流，震后维修较为不便，因此开展大跨度连续刚构桥的抗震性能评价尤为重要。

汶川地震后国内学者对连续刚构桥进行了较多研究，夏修身、陈兴冲等［4］对铁路刚构桥进行了研究，提出对其进行弹性抗震设计是不经济的，尚维波等［5］对高墩刚构桥体系梁进行了抗震研究，李子春［6］针对不同的桥墩形式对刚构桥的动力特性进行了研究，但是对双肢薄壁刚构桥的协同受力没有研究。本文针对在公路桥梁上采用双肢薄壁墩或单柱式墩，进行了动力性能比较，并对地震荷载作用下的内力进行了相应对比，分析了预应力钢束对桥墩抗震性能的影响。

1 工程概况

某3跨大跨径连续刚构桥跨径组成为（97+176+ 97）m，全长370 m，桥梁总体布置图见图1。主梁采用单箱单室箱梁，墩顶主梁高10 m，跨中主梁高4 m，梁高沿跨径方向按二次抛物线变化。主桥墩墩高31 m （30.5 m），桥墩形式采用双薄壁墩或单柱式墩，两者面积相等，截面见图2，钻孔灌注桩基础。本文主要分析地震作用下的影响规律，选取50年超越概率2%地震动水准反应谱进行分析，见图3。

图 1 桥梁总体布置图（单位：cm）

图2　 桥墩截面（单位：cm）

图3　 地震动反应谱

采用有限元程序，建立三维有限元动力计算模型进行抗震性能分析，计算模型均以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖桥向为Z轴，主梁、桥墩均采用空间梁单元模拟，建立桥梁动力模型，在承台底用六自由度弹簧模拟桩土作用。地震动的输入模式取工况1（纵向+竖向）和工况2（横向+竖向），竖向地震动与水平向反应谱的0.65倍。

2 桥墩形式对抗震性能的影响

2.1 动力特性分析

桥梁的动力特性是进行桥梁抗震性能分析的基础［7］。不同桥墩形式下刚构桥的动力特性见表1（仅列出前5阶）。

表1　 桥梁结构动力特性

由表1可以看出不同桥墩形式振型出现的顺序一致，除第1阶周期相差较大以外，其余4阶振型相差较小。双肢薄壁墩的第1阶纵向周期比单柱式墩的大51.5%，可以明显减小纵向自振周期，说明双肢墩体系纵向较柔，可降低桥墩的地震反应；但是，双肢薄壁墩和单柱式桥墩在横桥向上振型较为一致，动力特性改善很小。

2.2 地震响应分析

连续刚构桥采用墩梁固结体系，墩顶和墩底是抗震设计的薄弱环节［2-3］。为研究刚构桥地震作用下的受力性能，以左侧桥墩为例，选取墩顶和墩底截面、主梁跨中截面和主梁墩顶截面等控制截面（见图2），研究墩柱形式对抗震性能的影响。

2.2.1 纵桥向地震反应分析

在50年超越概率3%的地震动水平下纵桥向主要控制截面的内力见表2。

表2　 纵桥向主要控制截面内力

由表2可以看出，与单柱墩相比，双肢墩的墩顶轴力大于单柱墩轴力，内外两肢分别大41.9%、20.8%，双肢墩的剪力远小于单柱墩，单柱墩的剪力是双肢墩剪力的2.8倍，双肢墩的内外两肢的弯矩均小于单柱墩，为单柱墩的38%，墩底截面内力呈现类似的变化规律。主梁跨中和主梁墩顶截面轴力双支墩均小于单柱墩，分别为单柱墩的82.9%、75.9%，双支墩主梁跨中截面的剪力远小于单柱墩，为单柱墩的45.2%，跨中截面弯矩相差不大；主梁墩顶截面剪力相差不大，但主梁墩顶截面弯矩双肢墩小于单柱墩，为单柱墩的96.4%，说明双肢墩对主墩、主梁跨中和墩顶截面是有利的。

2.2.2 横桥向地震反应分析

在50年超越概率3%的地震动水平下横桥向主要控制截面的内力见表3。

由表3可以看出，与单柱墩相比，外肢横桥向地震反应轴力稍大于单柱墩轴力，比单柱墩大20.8%，内肢小于单柱墩轴力，为单柱式墩的94.9%，双肢墩的剪力远小于单柱墩，单柱墩的剪力是双肢墩剪力的1.4～2.2倍；双肢墩的内外双肢的弯矩均小于单柱墩，分别为单柱墩的83.6%、60.3%。墩底内力相应呈现类似的规律；双肢墩主梁跨中截面轴力小于单柱墩，为单柱墩的80.7%，墩顶截面轴力、双肢墩主梁跨中截面和主梁墩顶截面剪力以及跨中截面弯矩均相差不大，内力之差小于8%，说明双肢墩对横桥向主墩内力改善较大，但对主梁内力改善很小。

表3　 横桥向主要控制截面内力

3 预应力对桥墩抗震性能的影响

预应力的作用在抗震分析中一般忽略不计［8-10］，研究预应力对双薄壁墩刚构桥地震力的影响以及抗震性能验算的影响，分析预应力在刚构桥抗震设计中的作用。

3.1 预应力对双肢墩的影响

恒载作用下和恒载+预应力作用下内外双肢桥墩墩顶和墩底的内力见表4。

由表4可以看出，同一桥墩内外两肢在恒载作用下内力相差较大，内肢与外肢轴力之比为11:1，剪力为1.4∶1，弯矩为1.3∶1～1.4∶1；考虑预应力作用后，内外两肢内力差距逐渐减小，内肢与外肢轴力之比为1.4∶1～1.6：1，剪力为0.8∶1，弯矩为0.8∶1。为分析预应力作用对双肢墩受力性能的影响，将原图纸中的预应力钢束为19根Φ15.2钢束变换为27根Φ15.2钢束，称为model2，将原模型称为model1，研究预应力钢束改变对桥梁抗震性能的影响。

表4　 恒载+预应力作用下桥墩关键截面内力

3.2 预应力对地震力的影响

地震作用下内外两肢墩顶和墩底的内力见表5。

纵向和横向地震作用下，钢束变化对地震力影响可以忽略，误差在2%以内，因此在进行地震力分析时，可以不考虑预应力钢束的影响。

表5　 地震作用下关键截面内力对比

3.3 预应力对抗震性能的影响

抗震性能验算时，要考虑永久作用与地震力［2］。工况分为：工况1（恒载+预应力+纵向+竖向）和工况2（恒载+预应力+横向+竖向）。研究分析预应力对抗震性能的影响。两种工况下的内力见表6、表7。

由表6可以看出，改变预应力钢束后，纵桥向作用下，除内肢墩顶、墩底轴力减小（约20%左右）以外，其余截面内力均增大（10%～15%），内外两肢轴力分配更为均匀，由原来的0.48∶1变化为0.86∶1。由表7可以看出，横桥向作用下，除轴力变化较大外，外肢轴力增大35%，内肢轴力减小20%左右，内外两肢轴力分配更为均匀，由原来的0.51∶1变化为0.87∶1，其余截面内力基本不变，可以忽略不计。

表6　 恒载+预应力+纵向地震作用下桥墩关键截面内力

表7　 恒载+预应力+横向地震作用下桥墩关键截面内力验算

刚构桥的墩顶或墩底一般设置成塑性铰区，大震时形成延性破坏，钢筋受拉首先屈服，核心混凝土压碎，利用塑性铰耗散能量［7］。桥墩截面N-M曲线见图4。由图4可知，刚构桥桥墩属于大偏心受压构件，轴力越大，极限弯矩也就越大。而同一桥墩的内外两肢受力不均衡，在大震作用下，轴力较小的一侧外肢）容易首先发生破坏，对抗震来说较为不利。由表6和表7可知，改变预应力钢束后，内外两肢轴力分配更为均匀，从N-M曲线可以看出，外肢抗震性能大大改善，对横桥向抗震是有利的。由以上分析可知，这主要是由预应力作用引起的，预应力的大小改善了内外两肢的受力性能。因此，在进行预应力设计时，不仅要考虑主梁截面的抗裂验算，还要考虑其对桥墩双肢受力性能的影响。

图4　 桥墩截面N-M曲线

4 结论

对双薄壁墩和单柱式墩的受力性能进行了对比分析，并进行了预应力对双薄壁墩抗震性能的影响分析，主要结论如下：

（1）设置双薄壁桥墩的连续刚构桥与单薄壁墩的连续刚构相比，结构体系更柔，可明显减小纵向频率，但对横桥向的动力改善很小。

（2）预应力对刚构桥地震内力的影响很小，可以忽略不计；在进行抗震性能验算时，预应力作用不可忽略。

（3）预应力计算时不仅满足主梁截面验算，而且应验算桥墩受力。若桥墩双肢受力不均匀，可通过增加预应力筋的方式使主墩内外双肢受力协调。

［1］陈乐生，庄卫林.汶川地震公路震害调查—桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2012：141-149.

［2］JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则［S］.

［3］CJJ 166—2011城市桥梁抗震设计规范［S］.

［4］ 夏修身，陈兴冲，王常峰，等.高墩大跨连续刚构桥抗震性能研究［J］.西北地震学报，2010，21（1）：88-91.

［5］尚维波，张春宁.高墩刚构桥系梁抗震分析［J］.长安大学学报（自然科学版），2012，32（1）：62-65.

［6］李子春.桥墩形式对连续刚构桥动力特性的影响［J］.中国公路学报，2011，24（2）：70-76.

［7］王克海.桥梁抗震研究［M］.北京：中国铁道出版社，2007：256-263.

［8］周勇军，贺拴海，张岗，等.桥墩截面形式对弯连续刚构桥地震响应的影响［J］.公路交通科技，2009，26（2）：68-72.

［9］杨昀，周列矛，周永军.弯桥和高墩［M］.北京：人民交通出版社，2011：233-280.

［10］邵旭东，胡建华.桥梁设计百问（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2003：126-133.

Seismic Performance Analysis of A Long-span Continuous Rigid Frame bridge

Xie Qunhua
（Architects & Engineers Co. Ltd. of Southeast University, Nanjing 210096,China）

Double thin-wall pier and single column pier were two common forms of continuous rigid frame bridges. In order to study the influence of the bridge pier forms, this paper established space finite element model of a continuous rigid frame bridge. It compared the dynamic characteristics and earthquake response between double thin-wall pier and single column pier, The influence of prestress on seismic response and seismic performance evaluation also been studied. The results showed that the performance of double thin-wall pier was more reasonable than that of single column pier, the influence of prestress on seismic response was too small, but it should be considered for seismic performance evaluation. And the force of internal and external limb should be reasonable to avoid large difference between the two limbs in serviceability state.

double thin-wall pier; single column pier; rigid frame bridge; prestress; seismic performance

U442.5+5

A

1672-9889（2016）04-0032-04

谢群华（1980-），男，湖南娄底人，工程师，主要从事桥梁隧道设计工作。

2015-10-01）