大跨度连续刚构桥抗震性能影响研究

蒋军宜

(中山市东部外环高速公路有限公司，广东 中山 528403)

1 工程概况

本工程实例为广东省中山东部外环高速北延线工程的桂州水道桥，地处佛山市、中山市交界处。该桥梁直腹板变梁高预应力混凝土连续箱梁，主桥长330 m，跨径组合为(90+150+90)m。主梁采用单箱双室截面变梁高箱梁，主墩墩顶梁高9.0 m，跨中梁高为3.5 m，顶宽20.5 m，底宽13.5 m，悬臂根部厚度为0.75 m，端部厚0.18 m，顶板厚度0.30 m，主梁按全预应力混凝土构件进行设计。

2 桩土效应对桥梁结构动力特性影响分析

为了探究桩土效应对大跨度连续刚构桥动力特性的影响，论文选取桩土效应与桩底固结的模型分别计算，并从结构的自振特性和地震响应出发，探究桩土效应对结构动力特性影响。

2.1 桩土效应对桥梁结构自振特性的影响

以考虑桩土效应和墩底固结的模型来计算桥梁的自振频率及振型形状，提取前10阶振型下的结果，如表1所示。

由表1可知，考虑桩土作用和墩底固结的模型在振型形状上的相似性很大，振动均是桥面振动。在前10阶振型下，两者的振型形状一致，证明桩土效应对结构振型形状影响不大。但观察对比两个模型的自振频率可以发现，墩底固结模型的频率要比考虑桩土作用模型的频率大，且随着振型阶数的提高，这种增大的效果越明显，如第1阶振型下，墩底固结的模型的频率要比考虑桩土作用的模型的频率大15%，而到了第10阶振型时，这种增大的效果达到了40%。这是因为模型是通过设置土弹簧来模拟桩土效应的，土弹簧的设置将会增大桥梁结构的柔度，使得结构的周期变长，频率变小，而且随着桩长的变长，土弹簧的设置也越多，对结构的动力特性影响就越大。因此当桥梁的桩长较长时，不能忽略桩土效应的影响。

表1 自振特性对比

2.2 桩土效应对桥墩地震响应的影响

除了结构的自振特性，设计师们在设计连续刚构桥时更关注的是结构的地震响应，由于本项目设计的控制加载为E2地震加载，故以下地震响应的计算均采用E2地震加载，分别计算考虑桩土效应和墩底固结的模型，具体计算结果如表2、表3示。

表3 桥墩单元地震响应结果对比(横向)

由上表可知，考虑桩土效应的模型的轴力相对于墩底固结的模型的轴力要稍大，而弯矩则相对要小，其中墩顶弯矩差距较小。如在纵向和横向地震作用的情况下，考虑桩土作用后墩顶弯矩分别仅减小了约12%和24%，而墩底弯矩差距则较大，如在纵向和横向地震作用的情况下，考虑桩土作用后墩底弯矩分别减小了约128%和101%。

总的来说，考虑桩土效应后，会使桥墩的轴力稍有增大，而大幅度减少弯矩的大小，这在结构的设计中是有利的。虽然考虑桩土效应后会增大结构的柔性，使结构的位移增加，且内力会更加复杂，但若不考虑桩土效应而直接采用墩底固结模型，此时的计算结果将会过于保守，造成结构尺寸偏大、钢筋用量过多等不合理现象，从而造成工程造价大量提高，资源浪费。因此在设计中按照规范要求考虑桩土效应的影响才是合理的。

3 水深对桥梁结构动力特性影响分析

实际工程中，当桥梁的桩基础或墩柱位于水体中时，其水位并不是恒定的，当水位变化时，结构的动力特性将会相应产生变化。为了探究水深对高墩大跨连续刚构桥的动力特性影响，论文设计了6组对比模型，以5 m水深为间隔，水深从0 m增大到30 m水深，研究不同在水深下，连续刚构桥的动力特性变化。

3.1 水深对结构自振特性影响

结构的自振特性是结构的动力特性的重要组成部分，因此论文首先从结构的自振特性出发，利用Morison方程法考虑动水压力，研究水深对结构自振特性的影响。下图给出了在不同水深下，在纵向地震力作用下，通过计算得出结构的前三阶自振频率。

由图1～图3可知，随着水深的增加，结构的自振频率减小，当无水时(即水深为0 m)，计算得出的前三阶结构自振频率分别为1.69 Hz、11.91 Hz、17.31 Hz，而当水的深度增大到30 m时，结构的前三阶频率分别下降到了1.6 Hz、10.46 Hz、14.22 Hz，相对于无水时(即水深为0 m)的状态，分别下降了5.3%、12.2%、17.9%。这个现象说明水体将会增大结构的自振周期，且随着深度的增加，这种增大的效应将会越大，且结构自身的振型阶数越大，该增大效应会越明显。

图1 第一阶频率随水深分布图(自绘)

图2 第二阶频率随水深分布(自绘)

图3 第三阶频率随水深分布(自绘)

3.2 水深对桥墩地震响应分布的影响

桥墩在地震作用下的响应是桥梁结构的动力特性之一，为了研究不同水深作用下，桥墩地震响应分布的变化，以下将计算水深分别为5 m、25 m、30 m的桥墩，在纵向地震力作用下的弯矩分布，论文采用E2加载，绘制弯矩分布图如图4～图6所示。

图4 5 m水深弯矩分布(自绘)

图5 25 m水深弯矩分布(自绘)

图6 30 m水深弯矩分布(自绘)

由图可知，在不同水深作用下，桥墩的弯矩分布规律比较一致，呈现出：墩顶处弯矩最小，在墩底处弯矩达到最大值的规律。将不同水深下的弯矩分布曲线与无水时(即水深为0 m)的弯矩分布曲线对比可以发现，当水深为5 m时，两者曲线基本重合，此时水体对结构的地震响应影响不明显；当水深增大到25 m时，此时结构的墩底弯矩为180 mN·m，相对于无水时的墩底弯矩(163 mN·m)增大了约10%；当水深继续增大到30 m时，此时结构的墩底弯矩为200 mN·m，相对于无水时的墩底弯矩增大了23%。这个现象说明，水体会增大结构的地震响应，且随着水深的增加，这种增大的效应会越明显且幅度越大。因此当水深较深时，不能忽略水体的影响。

4 桥墩形式对桥梁结构动力特性影响分析

在高墩大跨连续刚构桥的设计中，墩身的纵向以及横向刚度对桥梁的结构受力具有决定性的作用。当墩身的纵横向刚度过大时，桥墩在墩顶处将会承担过多的负弯矩，使得主梁的抗弯性能无法发挥；而当桥墩的纵横向刚度过小时，主梁在不平衡外力作用下容易产生扭曲以及变位。除此以外，在连续刚构桥设计中还要求桥墩具备足够的抗弯和抗扭刚度，以适应在悬臂施工过程中产生的不平衡力矩。

4.1 桥墩形式对结构自振特性的影响

为了探究墩身形式对结构动力特性的影响，以下将设置两种墩身截面形式，一是单薄壁空心墩(实际工程中所用墩身形式)，二是双薄壁空心墩。保持其他参数不变，分别计算单薄壁墩模型和双薄壁墩模型的自振特性，分别提取两个模型的前十阶自振频率和振型形状，如表4所示。

表4 自振特性对比

由表4可知，单薄壁空心墩自振频率比双薄壁空心墩要大，证明采用单薄壁空心墩的刚度比双薄壁空心墩大。两者的振型形状在前4阶内一致，但从第5阶开始，双薄壁空心墩模型的桥墩开始出现摆动，而单薄壁空心桥墩的模型自始至终并未出现桥墩的摆动，其振动均出现在桥面上。在前10阶振型中，双薄壁空心墩模型的桥墩摆动占了30%，故在地震袭击时桥墩仍有可能会产生弯曲破坏或者屈曲破坏。而单薄壁空心墩由于具有足够的刚度，可以将振动限制在桥面上，理论上可以减少桥墩弯曲破坏或者屈曲破坏的可能性，从而保证桥梁的抗震性能。

4.2 桥墩形式对地震响应的影响

本项目在采用E2地震加载方式下计算单薄壁和双薄壁空心墩的地震响应结果如表5、表6所示。

表5 结构地震响应对比(纵向)

表6 结构地震响应对比(横向)

由表5、表6中数据可知，在顺桥向E2地震作用下，双薄壁桥墩的内肢墩的内力要稍大于外肢墩内力，且双薄壁墩内外两肢墩的剪力和弯矩之和要小于单薄壁空心墩的剪力和弯矩，如在墩顶处，采用双薄壁空心墩的模型可以使弯矩和剪力减少约20%，墩底处则可以减少约15%，证明采用双薄壁空心墩可以有效减小结构顺桥向的地震响应。

对于横桥向E2地震作用下，与顺桥向地震类似，双薄壁桥墩的内肢墩的内力也要稍大于外肢墩内力，但不同的是，双薄壁桥墩模型的内外两肢墩的剪力和弯矩之和与单薄壁空心墩模型的剪力和弯矩相差并不大，如在墩顶处，采用双薄壁空心墩的模型仅使弯矩和剪力减少约2%，墩底处则仅为1%，基本可认为采用双薄壁墩对改善横向地震响应无明显作用。

5 结 论

(1)桩土效应对桥梁结构振型形状影响不大，但墩底固结模型的频率要比考虑桩土作用模型的频率大，且随着振型阶数的提高，这种增大的效果越明显；

(2)随着水深的增加，桥梁结构的自振频率将减小，地震响应增大效应也越明显；

(3)单薄壁空心墩抗弯曲破坏或屈曲破坏的抗震性能要优于双薄壁空心墩；在E2地震作用下，双薄壁空心墩可以有效减小结构顺桥向的地震响应，但对改善结构横向地震响应无明显作用。