大跨度双肢薄壁墩连续刚构桥动力特性分析

王 平

（上海市市政规划设计研究院有限公司，上海市 200031）

0 引言

连续刚构桥因其外形轻巧，整体性能好、结构刚度大、变形小，经济实用、施工方便等特点成为目前各地广泛修建的桥型之一。连续刚构桥是连续梁桥与T型刚构桥的组合形式，也称墩梁固结的连续梁桥，采用双肢薄壁墩的连续刚构桥，在恒载模式下，墩顶负弯矩较相同跨径的连续梁桥要小；在活载模式下，活载引起的跨中正弯矩较连续梁也要小[1]，因此连续刚构桥主跨径可比连续梁要大，即适用于大跨径桥型。

大跨度连续刚构桥桥墩不仅要满足竖向荷载的要求，而且需要利用桥墩的柔性来平衡温度变化、混凝土收缩徐变、制动力等引起的水平位移，以达到减小上述不利因素对结构产生的次内力。目前常用的连续刚构桥桥墩形式主要有双肢薄壁墩和单肢空心墩，双肢薄壁墩水平抗推刚度较小，纵向允许的变位较大，可以减小主梁附加次内力；单肢空心墩抗扭性好，稳定性强，柔性较差。本文以在建大跨度连续刚构桥为例，分别以双肢薄壁墩和单肢空心墩两种桥墩为计算模型，分析两种桥墩形式下桥梁动力特性和地震响应，并进行对比，获得有益结论。

1 工程概况

在建连续刚构桥桥跨布置为80 m+145 m+145 m+80 m，主梁采用单箱单室变截面预应力箱梁，顶板设2%横坡，底板下缘保持水平。单幅梁宽16.25 m，悬臂长 3.8 m，梁高 3.8～8.8 m，梁底采用1.8次抛物线，过渡墩顶附近8 m及中跨跨中2 m范围内为等高梁段，梁高3.8 m。自等梁高段至墩顶51 m范围，主梁高度有3.8 m变至6.0 m，两侧腹板斜率不变，底板宽度由7.093 m变至6 m；自等梁高段至墩顶51～76 m范围，梁高由6.0 m变至8.8 m，底板宽度6 m不变，主梁高度竖直增加，主墩中心线两侧各3.25 m范围内梁高均为8.8 m。

主墩墩身分别采用两种形式：双薄壁墩由两片1.5 m厚矩形截面墩柱组成，尺寸为6 m×1.5 m；单肢空心墩截面尺寸为6 m×6.5 m，壁厚分别为1.5 m和1.2 m，由承台采用矩形承台，厚度5 m，主梁与桥墩均采用C50混凝土，承台采用C35混凝土。桩基采用ø2.2 m大直径钻孔灌注桩，共9根。主梁横断面及两种形式主墩墩身截面见图1、见图2。

图1桥梁横断面布置图（单位：cm）

图2两种形式主墩墩身截面图（单位：cm）

2 模型建立

运用有限元分析软件MIDAS Civil建立全桥模型。主梁、桥墩、承台及桩基均采用梁单元模拟。有限元计算模型的总体坐标系以顺桥向为X轴，以横桥向为Y轴，以竖向为Z轴。

全桥模型中共建立597个单元，桥墩、主梁、承台、桩基之间均采用刚性连接，桥梁两端采用Uy，Uz，Rx三个自由度约束。桩基考虑桩土作用，将下部结构桩基础入土部分用弹簧刚度来模拟土的刚度，采用“m”法[2]计算，其定义如下：

式中：σzx为土体对桩的横向抗力；z为土层的深度；xz为桩在z处的横向位移（即该处的土的横向变位值），此可求出等代土弹簧的刚度ks：

其中，a为土层的厚度；bp为桩柱计算宽度。两种截面形式桥墩模型见图3、图4。

图3双肢薄壁墩桥梁计算模型

图4单肢空心墩桥梁计算模型

3 动力特性分析

采用上述计算模型，分别对两种主墩形式桥梁进行动力特性分析，并进行对比。两种结构形式自振频率和模态见表1。

由表1可以得出两种结构形式桥梁的振型序列不一致，设置双肢薄壁墩桥梁的一阶模态是桥墩同向纵弯，频率0.369 3 Hz，而设置单肢空心墩桥梁的桥墩同向纵弯出现在第4阶模态，频率0.781 0 Hz，说明双肢薄壁墩的纵向刚度较小、柔度较好；单肢空心墩桥梁的一阶模态是桥墩同向横弯，频率0.540 5，相对双肢薄壁墩桥梁桥墩同向横弯时频率0.458 9要大15%，说明双肢薄壁墩的横向刚度比单肢空心墩要小。两种结构形式桥梁的主墩一阶纵弯和横弯的自振振型见图5。

图5 两种结构形式振型图

4 地震响应对比分析

采用反应谱法分别对双肢薄壁墩桥梁和单肢空心墩桥梁进行地震响应分析。桥址处基本烈度为7度，计算时提高1度，按8度设防，场地按IV类场地土考虑，计算中抗震重要性系数取1.7，场地系数取1.3[3]。确定的加速度反应谱见图6。

表1 两种结构形式自振频率对比表

图6 加速度反应谱

应用平方和开方法(SRSS法)组合最大振型反应，在纵横两个方向进行加速度值输入，得到两种结构形式桥梁主要截面位移和内力，对比结果见表2～表 5。

由表2和表4可得出：纵向地震反应谱输入下，双肢薄壁墩桥梁各主要截面的纵向位移均大于单肢空心墩桥梁，约为2.5倍。设置双肢薄壁墩的上部结构内力均较小，其中左中跨跨中轴力仅为为单肢空心墩桥梁的19.3%，四个跨中截面剪力均约为单肢空心墩桥梁的35%，边跨跨中弯矩约为41%，中跨跨中弯矩约为25%；下部结构主墩的剪力和弯矩也较小，约为单肢空心墩桥梁主墩的25%～30%，而轴力却偏大，其中中墩轴力增大约4.3倍，可见采用双肢薄壁墩结构可有效减小主梁内力，减低墩身弯矩和剪力，却以增加墩身轴力为前提。

表2 纵向地震反应谱分析纵向位移（m）结果对比

表3横向地震反应谱分析横向位移（m）结果对比

表4 纵向地震反应谱分析内力结果对比

表5 横向地震反应谱分析内力结果对比

由表3和表5可得出：横向地震反应谱输入下，双肢薄壁墩桥梁各主要截面的横向位移与单肢空心墩桥梁较为接近，增加幅度约为10%～20%。设置双肢薄壁墩的上部结构除轴力值较小，与单肢空心墩桥梁较为接近外，剪力和弯矩均小于单肢空心墩桥梁，减小幅度约为20%～30%；下部结构主墩的轴力值也较小，剪力和弯矩的减小幅度约为50%～60%。

5 结论

（1）与单肢空心墩连续刚构桥相比，双肢薄壁墩连续刚构桥的纵向刚度要小，结构体系柔性较好，但对结构横向动力较为不利。

（2）相对于单肢空心墩连续刚构桥，双肢薄壁墩连续刚构桥上部结构内力改善较为明显，下部结构弯矩和剪力也都减小，但轴力却显著增加。

（3）本文针对给定桥例进行分析，其结论对于大跨度连续刚构桥桥墩类型选择具有参考意义，应该指出的是随着墩高的不断增加，单肢墩的柔性会逐渐增加，因此对于墩身较高的连续刚构桥，墩身形式还需合理选择才能满足经济安全的桥梁设计原则。