连续梁桥型钢骨架- 混凝土桥墩静动力对比分析

2022-02-01彭银飞罗如登杨雪霞陈佳琪

科学技术创新 2022年36期

彭银飞，罗如登，杨雪霞*，陈佳琪，尹峰，杨森

（1.太原科技大学应用科学学院，山西太原 030024；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075；3.中国建筑第五工程局第三建设有限公司，湖南长沙 410007；4.上海同是科技股份有限公司，上海 201203）

型钢-混凝土组合结构可以充分发挥钢和混凝土各自的优势，自问世以来得到了较为广泛的研究和应用。这种组合结构的主要应用形式包括单柱或异形柱、梁、板以及框架结构等。RC 桥墩内部配置钢筋笼为骨架；配置单根型钢或多根型钢作为骨架的并不多见。刘娜和王修信[1]采用ANSYS 分析和研究了配置单根H 型钢的钢-混凝土单柱式矩形桥墩。张树清和尹超[2]计算和分析了丽龙高速九龙大桥的V 型型钢骨架混凝土桥墩。DENG 等[3]对钢-混凝土组合桥墩以及RC 桥墩进行了拟静力对比试验和理论分析，试验曲线和理论骨架曲线吻合较好。陈百玲、王连广等[4]提出一种“预制型钢混凝土与RC 拼装桥墩及施工工艺”，用于目前快速发展的预制混凝土装配式桥梁。以上国内外对型钢混凝土在桥墩中的应用和研究都是集中在只配置了单根型钢或一组同类型型钢的桥墩上，受力特点相对明确。

湖南长沙市湘府东路跨浏阳河连续梁桥采用了一种新型的PSSC 桥墩。这种桥墩内部布置多根不同型号型钢组成的骨架，通过栓钉将混凝土与型钢连接成为整体受力。本研究以该桥为工程背景，对这种PSSC桥墩方案和相同外形尺寸的RC 桥墩方案进行静动力有限元分析，研究PSSC 桥墩的整体受力性能。

1 浏阳河桥型钢骨架- 混凝土桥墩概况

该桥PSSC 桥墩，型钢采用Q235C 钢材，墩柱和盖梁均采用C55 混凝土。墩柱为圆柱形，直径4 m，高8.6 m，盖梁高6 m，分为两部分，下部为四棱台，上部为长方体。桥墩中布置型钢骨架，竖向10 根型钢绕圆柱均匀排布，每隔1.6 m 有一水平型钢骨架对竖向型钢进行约束，型钢之间采用等强度焊接连接。为确保型钢和混凝土之间共同受力，在型钢上焊接φ22 栓钉。

2 浏阳河桥型钢骨架- 混凝土桥墩受力性能对比分析

2.1 有限元分析方法和模型

为了研究这种PSSC 桥墩的整体受力性能，本研究按照该桥墩的外形尺寸拟定了一个RC 桥墩方案，对这两种桥墩方案分别进行静、动力有限元对比分析。静力分析针对成桥后运营状态来进行，只对桥墩建模，上部结构作为荷载施加在桥墩上。动力分析分为反应谱分析和地震时程分析，针对一种最不利的状态-施工中的最大悬臂状态进行分析，动力分析的有限元模型包含桥墩和最大悬臂状态主梁。

两种桥墩方案的混凝土和型钢均采用梁单元模拟，并通过设定混凝土单元节点为主节点，型钢单元节点为从节点，主从节点刚性连接模拟两者共同受力。

RC 桥墩和PSSC 桥墩有限元模型，见图1(a)，型钢骨架模型见图1(b)，模型中X 方向为顺桥向，Y 方向为横桥向，Z 方向为竖向。模型中C55 混凝土轴心抗压强度设计值fc=35.5 MPa，弹性模量Ec=3.55×104MPa；6 种不同截面尺寸型钢，均为Q235C，弹性模量Ec=206 GPa。传统桥墩模型一共有80 个节点，79 个梁单元；PSSC 桥墩模型一共有908 个节点，1 091 个梁单元。

图1 有限元模型

2.2 有限元分析荷载和参数

静力分析施加的荷载为运营阶段桥墩的支座反力和制动力，支座反力参考该桥的设计计算报告取1.33×105kN，制动力取车道荷载总重力的10%，共941.4 kN，作为节点荷载施加在墩顶节点上，见图1(a)。

反应谱分析采用参数为：Ⅱ类场地，B 类桥梁，场地特征周期0.35 s，设防烈度7 度，振型组合采用SRSS 组合，特征值分析采用多重Ritz 分析，对最大悬臂状态桥梁进行水平方向E1 多遇地震反应谱分析，反应谱曲线见图2。

图2 反应谱曲线

时程分析选取两组实录地震波为Taft_v 和TH002TG035_CAPE，一组人工拟合地震波，对最大悬臂状态桥梁进行地震时程分析。限于篇幅，本研究只给出Taft_v 实录地震波曲线，见图3，以及相应的分析结果。地震时程分析分为三种组合工况，分别为1.0Ex+0.3Ey+0.3Ez(简称CX)、0.3Ex+1.0Ey+0.3Ez(简称CY)和0.3Ex+0.3Ey+1.0Ez(简称CZ)。三种组合工况采用的分析参数均为线性分析、振型叠加法和瞬态时程类型。

图3 Taft_v 实录地震波曲线

3 浏阳河桥桥墩有限元对比分析结果

3.1 静力对比分析结果

图4 是静力荷载作用下两种桥墩墩柱混凝土组合应力(最大值)曲线，由图中可见两种桥墩方案的应力变化规律相同，PSSC 桥墩较RC 桥墩应力下降7%～8%。PSSC 桥墩静力性能要优于RC 桥墩。

图4 静力分析组合应力(最大值)曲线

3.2 动力对比分析结果

3.2.1 动力特性分析

在进行动力对比分析之前，必须先对两种桥墩进行结构动力特性分析。表1 为两种桥墩方案最大悬臂状态的前10 阶振型和频率结果。计算结果显示，两种桥墩的各阶振型一致；型PSSC 桥墩的各阶自振频率较RC 桥墩的高，说明整体刚度较大。对两种桥墩分析了前60 阶自振频率和振型，到第53 阶时六个自由度方向质量参与比均已达到90%以上，满足规范要求。

表1 前10 阶自振频率和振型结果

3.2.2 反应谱分析结果

图5 是反应谱分析中两种桥墩墩柱混凝土组合应力(最大值)曲线，由图中可见两种桥墩方案的应力变化规律相同。通过数据对比，PSSC 桥墩比RC 桥墩在顺桥向条件下混凝土单元组合应力(最大值)减少4%～8%；PSSC 桥墩比RC 桥墩在横桥向条件下混凝土单元组合应力(最大值)值减少5%～6%。

图5 反应谱分析组合应力(最大值)曲线

3.2.3 地震时程分析结果

图6 是时程分析中两种桥墩墩柱混凝土组合应力(最大值)曲线，由图中可见两种桥墩方案的应力变化规律相同。通过数据对比，PSSC 桥墩比RC 桥墩在CX 组合工况下混凝土单元组合应力(最大值)减少7%～12%；在CY 组合工况下混凝土单元组合应力(最大值)减少5%～6%；在CZ 组合工况下混凝土单元组合应力(最大值)减少5%～11%。说明型钢骨架可提高桥墩的抗震性能，不同受力方向的提高程度与型钢骨架布置形式有关。