不同墩高下连续刚构桥抗震性能分析

田玉文 宁晓骏周兴林张清旭孟亚锋 张春博

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650500; 2.河南中豫路桥工程有限公司 郑州 450000;3.浙江江南工程管理股份有限公司 杭州 310007)

0 引言

随着我国经济的快速发展，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，在我国西部山区建设中被广泛应用。双肢薄壁墩是我国大、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。相关研究指出连续刚构桥墩梁固结处存在很大的刚性，在地震作用下是主要的受力点。近年来许多学者根据不同的工程背景采用不同的分析方法，对不同的研究对象进行高墩连续刚构桥抗震分析。钱劲松[1]研究不同墩高对内力分布的影响，得出内力极值主要出现在矮墩底部。肖章权[2]通过对非对称高墩大跨连续刚构桥的抗震性能研究，得出随着墩高不断增加，结构在各个方向刚度均有所减小。刘飞[3]对连续刚构桥抗震性能分析，得出桥梁结构的顺桥向刚度要比横桥向刚度大。孙超[4]通过一致激励下的非平稳地震动线性反应分析得出，顺桥向与横桥向地震动同时输入对连续刚构桥跨中部位非常不利。

1 工程背景

本文以某高墩连续刚构桥为依托，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，桥面宽为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，承台高为3 m，桩基为直径2.8 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0.30g，抗震设防烈度为Ⅷ度，区划特征周期为0.45 s。其桥型布置图见图1所示。

2 有限元建模

2.1 参数选择

在设计连续刚构桥时，往往会受到工程地形地势、水上通航等限制，使得桥墩高墩不一致，不同墩高差在地震作用下内力分布不同，本文以改变2#桥墩为变量进行研究。保持1#桥墩高墩不变，建立工况一2#桥墩增加0 m，工况二2#桥墩增加10 m，工况三2#桥墩增加20 m，工况四2#桥墩增加30 m。

图1 桥型布置(单位：m)

2.2 构建模型

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，全桥有限元模型见图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、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一条地震波选取出来，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地震波见图3所示。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

为了研究不同墩高差对动力特性的影响，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～表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～表4中可以得出，随着2#桥墩不断增加，结构自振频率不断减小，当2#桥墩增加10 m、20 m、30 m时，第5阶频率变化比较明显，分别减小10.8%、21.6%、23.5%，说明刚度逐渐减小，桥梁整体结构变柔[5-6]。

4.2 动力弹性时程分析

其他参数不变，只改变2%桥墩墩高，通过墩底、墩顶纵横向弯矩峰值，墩底、墩顶纵横向剪力峰值和墩顶纵横向位移峰值这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～表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～表6可知，在纵横向地震作用下，随着2#桥墩的增加，1#桥墩弯矩在纵横向不断增加,2#桥墩弯矩在纵横向逐渐减小，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#桥墩墩底弯矩减小了30.7%，1#桥墩墩底顺桥向弯矩增加了6.1%。在横桥向地震作用下，2#桥墩墩底横桥向弯矩减小了16.4%，1#桥墩墩底横桥向弯矩增加了3.4%。1#桥墩、2#桥墩弯矩随2#桥墩高度的增加呈现一定规律的增大和减小，2#桥墩比1#桥墩变化的幅度明显，说明随着墩高差的逐渐增大，1#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2#墩。

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7～表8可知，在纵横向地震作用下，随着2#桥墩的不断增加，1#桥墩纵横向剪力增大，2#桥墩纵横向剪力减小，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#桥墩墩底剪力减小了32.9%，1#桥墩墩底剪力增加了16.4%。在横桥向地震作用下，2#桥墩墩底剪力减小了21.1%，1#桥墩墩底剪力增加了8.4%。对于2#桥墩的不断增大，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[7]。

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

由表9～表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#桥墩的增加逐渐增大，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#桥墩墩顶位移增大了36.6%，1#桥墩墩顶位移增加了6.4%。在横桥向地震作用下，2#桥墩墩顶位移增加了21.2%，1#桥墩墩顶位移增加了8.2%。对于2#桥墩的逐渐增大，桥梁整体刚度降低，柔性变大，进而使墩顶位移不断变大，2#桥墩相比1#桥墩刚度更小，柔度更大，所以在地震作用下2#桥墩增加幅度较明显。

5 结论

本文以某连续高墩刚构桥为依据，以不同墩高差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，为以后连续刚构桥的抗震分析提供参考，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墩高有关联，墩高越高，自振频率越小，桥梁刚度也越小，柔度也越大。

(2)随着桥墩的不断增加，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。

(3)随着其中一个桥墩的不断增加，高墩内力值会逐渐减小，矮墩的内力值会增加，但矮墩内力增加幅度较小，在进行设计时应注意矮墩的受力情况，防止出现破坏。