大跨径连续刚构桥单双肢主墩静动力性能分析

2021-10-26刘敏剑

工程技术研究 2021年13期

刘敏剑

广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510507

连续刚构桥桥型简洁明快，桥面视野开阔，行车视线好，设计、施工技术成熟，在国内外大跨度桥梁中应用广泛。连续刚构桥的桥墩一般可采用单肢或双肢墩。双肢墩具有较大的顺桥向抗弯和横桥向抗扭刚度，且削峰效应可改善主梁墩顶受力；同时双肢墩具有顺桥向抗推刚度小的特点，可有效减小温度、混凝土收缩徐变次内力和地震响应。因此，双肢墩受到广大桥梁设计工作者的青睐。但双肢墩施工较为烦琐，且抗船撞能力较弱；随着墩高的增加，单肢空心墩柔性变大，将改善总体受力[1]。因此在墩高较高时，单肢空心墩也是可选的墩身形式。文章以某跨江大跨度连续刚构桥为例，分别对双肢墩和单肢墩两种桥墩方案进行建模计算，分析对比了两种桥墩方案下结构的静力及动力特性，对于类似项目具有一定的参考意义。

1 工程概况

某连续刚构桥跨径布置为（85+150+85）m，其主桥立面图如图1所示。

图1 主桥立面图（单位：cm）

主梁采用单箱单室截面，箱梁顶宽16.5m，底宽8m；根部梁高9m，跨中梁高3.8m。底板厚度由根部1.0m渐变至0.32m，顶板厚度为0.32m。刚构桥一端连接桥台，另一端连接过渡墩。该桥桥位处地震动峰值加速度为0.1g，反应谱特征周期为0.7s。

双肢实心墩几何参数的主要影响因素有桥梁主孔跨径L、墩高H、双壁净距S和壁厚b，它们与结构静力效应之间存在复杂的内在联系。根据已建连续刚构桥设计资料，采用数理统计中的多元线性回归拟合得到以下公式[2]：

结合我国桥梁的设计经验，双肢实心墩肢中距一般为墩高的1/5～1/4[3]，单肢空心墩厚度一般取肢中距的1/6～1/4。

综上，同时考虑墩柱截面的静动力强度，分别拟定单肢空心墩、双肢实心墩尺寸，主墩主要尺寸表如表1所示。

表1 主墩主要尺寸表

2 模型建立

采用Midas软件建立空间有限元模型进行计算，两种桥墩形式的主桥有限元模型如图2所示。该桥采用50年10%（E1工况）和50年2.5%（E2工况）2种超越概率地震动进行抗震验算。要求桥墩、基础等结构重要受力构件在E1工况下基本不发生损伤，结构保持在弹性范围工作；在E2工况下局部可发生可修复的损伤，但要求地震发生后不需要修复仍可维持车辆的通行。

图2 两种桥墩形式的主桥有限元模型

3 静力对比分析

3.1 施工阶段

主墩关键截面对比分析：主墩在最大悬臂状态阶段为控制工况，除箱梁自身齿板不对称重量外，计算同时考虑一下几个不平衡荷载。

最后一个悬臂浇筑梁段不同步施工，一端满载，一端半载；施工不平衡堆载，按3kN/m考虑；主梁及主墩承受顺桥向及横桥向风荷载。根据有限元计算，提取最大悬臂状态下主墩关键截面的基本组合内力计算结果，如表2所示。两种主墩横桥向及顺桥向截面均配置间距为15cm的双层C32主筋。由表2可知，两种主墩形式的横桥向及顺桥向承载能力均满足规范要求。同时，双肢墩在横桥向及顺桥向的安全储备均优于单肢墩。

表2 最大悬臂施工阶段主墩强度计算结果

提取最大悬臂状态下主墩关键截面的频遇组合内力计算结果，如表3所示。由表3可知，单肢墩及双肢墩的横桥向未出现裂缝，双肢墩顺桥向出现裂缝，宽度为0.08mm，单肢墩抗裂性能较好。

表3 最大悬臂施工阶段主墩抗裂计算结果

3.2 成桥阶段

（1）主梁关键截面内力对比分析。提取成桥阶段主梁边跨跨中、边跨L/4、主墩墩顶、中跨L/4及中跨跨中等关键截面应力进行对比，如表4所示。由表4可知，由于双肢墩对主梁墩顶的弯矩有明显的削峰作用，降低了主墩墩顶负弯矩，增大了主梁顶缘压应力。除主墩墩顶截面外，其余截面处主梁顶底缘应力变化均为超过5%。因此，主墩截面形式对主梁应力影响不大。

表4 成桥阶段主梁关键截面应力结果单位：MPa

（2）主墩关键截面内力对比分析。提取基本组合及频遇组合下的主墩墩顶底关键截面内力进行对比验算，如表5所示。由表5结果可知，两种体系下主墩的强度及裂缝验算均能满足规范要求，但单肢墩强度富裕度比双肢墩大，且在频遇组合下，截面始终保持受压状态，不会产生裂缝，双肢墩墩底及墩顶均产生裂缝。

表5 基本组合及频遇组合主墩关键截面内力结果

4 动力分析

4.1 结构动力特性

分别对两种主墩形式桥梁进行动力特征值分析和对比，两种主墩形式自振频率对比如表6所示。由表6可以得出，在两种主墩方案下，除过渡墩外，主墩及主梁的振型序列不一致。单肢墩第4阶主梁一阶横弯过渡墩参与度较高，周期大于双肢墩的主梁一阶横弯周期。其余振型周期，双肢墩均大于单肢墩，说明双肢墩的纵向及横向刚度均小于单肢墩。