桥墩系梁对连续刚构桥抗震性能的影响

陈学文，李宸华 ，郑 杨

(1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650500； 2.浙江宏澄环境有限公司，浙江 杭州 310013)

0 引 言

随着中国经济的快速发展，山区桥梁数量不断增多，连续刚构桥具有T形刚构桥和连续梁桥的共同优点，在中国西部山区的桥梁建设中被广泛应用。双肢薄壁墩是我中大、中跨径桥梁的主要形式，它的构造特点是主梁与两个相互平行的薄墩刚接。双肢薄壁墩可减小主梁支反力峰值，增加桥墩刚度。双肢薄壁墩既有一定柔性，又能保持桥墩稳定，适应上部位移的需要。随着墩高的增加，为了满足桥墩整体抗弯刚度的要求，同时为了改善桥墩抵抗顺桥向的水平力作用，常常在桥墩中增加横向联系。因桥墩高度的不同，合理的设置桥墩系梁个数对桥墩抗震非常重要。周兴林[1]通过双肢薄壁墩参数对连续刚构桥抗震影响分析，发现设置纵向横系梁会增大桥梁的刚度。刘飞[2]对连续刚构桥抗震性能分析，认为桥梁结构的顺桥向刚度要比横桥向刚度大。庞兴[3]通过对横系梁设置对双柱墩的抗震性能影响分析，得出设置横系梁可以增加结构纵横向抗弯刚度的结论。本文以某高墩连续刚构桥为依托，分析桥墩系梁对连续刚构桥抗震性能的影响。

1 工程背景

该刚构桥主跨径为(90+170+90)m，承台桩基为C30混凝土、桥墩为C50混凝土、主梁为C55混凝土。主梁为单箱单室结构，桥面宽12.5 m，跨中和端部高3.2 m，箱梁根部高10.5 m，其桥墩截面采用双肢等截面矩形空心墩，承台高3 m，桩基为D2.8 m的钻孔灌注桩，通过地勘报告得到桥址处地震峰值加速度为0.30 g，抗震设防烈度为Ⅷ度，区划特征周期为0.45 s。其桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置

2 有限元建模

2.1 参数选择

在设计连续刚构桥时，往往会受到地形地势、水上通航等限制，使得桥墩系梁数量不一致，不同系梁个数在地震作用下内力分布不同，本文以改变2#桥墩系梁个数进行研究。保持1#桥墩不变，建立工况一2#桥墩无系梁，工况二在2#桥墩1/2处布置1根系梁，工况三在2#桥墩1/3和2/3处各布置1根系梁，工况四在2#桥墩1/4、2/4和3/4处各布置1根系梁。

2.2 模型构建

本文采用Midas/Civil有限元软件建立全桥模型，主梁采用psc建模助手与悬臂浇筑联合建模，主梁使用变截面梁单元，桥墩采用数据库/用户中的箱型截面，承台与桩基、桥墩采用主从约束的刚性连接，桥墩与主梁之间采用弹性连接中的刚性连接，边跨处的盆式橡胶支座采用弹性连接来模拟，桩基采用“m”法计算桩-土作用的影响并通过节点土弹簧来施加，主要计算荷载有结构自重和混凝土湿重等。利用节点荷载和单元荷载来施加恒载，全桥有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

3 地震波输入

本文通过Midas/Building，结合峰值加速度、特征周期及抗震设防烈度等选取符合本桥址的3条地震波。并依据规范要求将3条地震波中对桥梁影响最大的1条选取出来，然后利用有效峰值加速度EPA与有效峰值速度EPV，通过计算对每个方向的地震波放大系数进行调整,调幅后的San Fernando-291地震波如图3所示。本文为了便于对比，在模拟抗震时，分别在E2罕遇地震作用下进行顺桥向和横桥向地震作用输入。

图3 San Fernando-291地震波

4 结果分析

4.1 动力特性分析

为了研究2#桥墩不同系梁个数对动力特性的影响，分别对本文4个工况采用多重Ritz向量法进行动力特性研究。自振特性前5阶结果见表1～4。

表1 工况一自振特性

表2 工况二自振特性

表3 工况三自振特性

表4 工况四自振特性

从表1～4中可以看出，随着2#桥墩系梁个数不断增加，结构自振频率不断增加，当2#桥墩增加1个系梁、2个系梁、3个系梁时，第5阶频率变化比较明显，分别增加10.8%、9.7%、1.6%。说明刚度逐渐增加，桥梁整体结构柔度变小。

4.2 动力弹性时程分析

其他参数不变，只改变2#桥墩系梁个数，通过墩底墩顶纵横向弯矩峰值、墩底墩顶纵横向剪力峰值[4-5]和墩顶纵横向位移峰值[6-7]这6个时程分析结果做对比，多方位分析结构弹性阶段地震作用下的响应情况。计算结果见表5～10。

表5 顺桥向地震作用下墩底墩顶纵向弯矩峰值

表6 横桥向地震作用下墩底墩顶横向弯矩峰

由表5～6可知，在纵横向地震作用下，随着2#桥墩系梁个数的增加，1#桥墩弯矩在纵横向不断减小，2#桥墩弯矩在纵横向逐渐增大，但对2#桥墩影响较大。工况四与工况一相比，在顺桥向地震作用下，2#桥墩墩底弯矩增加了23.3%，1#桥墩墩底弯矩减小了4.8%。在横桥向地震作用下，2#桥墩墩底弯矩增加了14.9%，1#桥墩墩底弯矩减小了3.3%。1#桥墩、2#桥墩弯矩随2#桥墩系梁个数的增加呈现一定规律的增大或减小，2#桥墩比1#桥墩变化的幅度更明显，说明随着2#墩系梁个数的不断增加，2#墩的受力会变得更加复杂，在受到地震作用时，受到破坏的可能性要大于1#墩。

由表7、8可知，在纵横向地震作用下，随着2#桥墩系梁个数的增加，1#桥墩纵横向剪力减小，2#桥墩纵横向剪力增大，但对2#桥墩内力影响较大。工况四与工况一相比，在顺桥向地震作用下，2#桥墩墩底剪力增加了37.5%，1#桥墩墩底剪力减小了16.5%。在横桥向地震作用下，2#桥墩墩底剪力增加了29.8%，1#桥墩墩底剪力减小了8.4%。对于2#桥墩系梁个数的不断增加，顺桥向地震作用下的内力影响效果明显强于横桥向地震作用下的内力。

表7 顺桥向地震作用下墩底墩顶顺向剪力峰值

表8 横桥向地震作用下墩底墩顶横向剪力峰值

由表9～10可知，在纵横向地震作用下，1#桥墩、2#桥墩墩顶纵横向位移随着2#桥墩系梁个数的增加逐渐减小，但对2#桥墩影响较大。工况四与工况一相比，在顺桥向地震作用下，2#桥墩墩顶位移减小了36.7%，1#桥墩墩顶位移减小了6.4%。在横桥向地震作用下，2#桥墩墩顶位移减小了15.2%，1#桥墩墩顶位移减小了8.2%。对于2#桥墩系梁个数的逐渐增加，桥梁整体刚度增大，柔性变小，进而使墩顶位移不断减小，1#桥墩相比2#桥墩刚度更小，柔度更大，所以在地震作用下2#桥墩减小幅度较明显。

表9 顺桥向地震作用下墩顶纵向位移峰值

表10 横桥向地震作用下墩顶横向位移峰值

5 结 语

本文以某连续高墩刚构桥为依据，以2#桥墩不同系梁个数为参数运用时程分析方法对不同工况下的模型进行罕遇地震作用下的模拟研究，得出以下几点结论。

(1)在弹性时程作用下，连续刚构桥的自振频率与2#桥墩系梁个数有联系，2#桥墩系梁个数越多，自振频率越大，桥梁刚度也越大，柔度也越小。以第5阶频率为例，增加1个桥墩系梁自振频率增加了10.8%，但随着桥墩系梁的不断增加，自振频率增加幅度不断减小。

(2)随着2#桥墩系梁个数的不断增加，横桥向地震作用下的内力影响效果明显低于顺桥向地震作用下的内力影响效果。合理设置系梁个数可以适当调整桥墩弯矩值，并且随着系梁个数的增大，2#桥墩弯矩增加的程度与1#桥墩弯矩减小的程度有所减小。

(3)随着2#桥墩系梁个数的不断增加，1#桥墩内力值会逐渐减小，2#桥墩的内力值会增加，但2#桥墩内力增加幅度较大。所以在设计时要考虑不同墩高下设置不同个数的系梁，避免因系梁个数的不同导致桥墩的刚度相差过大，进而导致内力分布不均匀，使桥梁受力不合理。