深水高墩大跨连续刚构桥梁墩型设计探讨

徐章洁

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072）

1 概述

连续刚构桥型由于其跨越能力大，施工方便，后期养护费用少，在西部山区公路建设中是较为主流的桥型。由于西部山区面临严峻的地震风险，特别是在水电站库区特殊环境下，水下桥墩的震损监测和修复十分困难，因此连续刚构桥梁在水库环境下的墩型选择和抗震设计越来越受到重视。

连续刚构桥梁的上部结构通常采用变截面预应力空心箱型梁，桥墩一般采用单肢或双肢薄壁箱型截面[1]。高墩的设计关键包括墩身纵横向刚度、墩顶弹性水平位移、墩身稳定性等[2]，在主墩超过100m 时，除考虑主墩自身的强度刚度满足要求外，还需考虑主墩墩型对交界墩的影响。本文以某水电站库区深水高墩大跨连续刚构桥梁为背景，对比分析矩形空心墩与一种新型格构式双肢薄壁墩在考虑动水压力条件下的地震响应分析对比，探讨两种不同墩型对交界墩地震响应的影响，供同类桥型设计作为参考。

2 工程概况

以某水电站库区内特大桥为例，其主桥上部结构设计为（120+220+120）m 预应力混凝土连续刚构桥，桥梁宽度采用净-11.0m（行车道）+2×0.75m(人行道)+2×0.25m（护栏），总宽13.0m；设计荷载需同时满足公路-Ⅰ级及汽-60 级。

该桥主梁采用三向预应力混凝土结构，箱梁采用单箱单室截面。箱顶板宽13m，底板宽7m。箱梁根部梁高14.5m，中跨跨中及现浇合龙段梁高4.5m，箱梁底板下缘按1.8 次抛物线变化。

交界墩采用单箱单室空心墩，墩高分别为81m 及88m，纵桥向墩顶宽4m，墩底宽分别为6.025m 及6.2m，按1：80 放坡；横桥向墩顶宽7.2m，墩底宽分别为9.225m 及9.4m，按1：80 放坡；墩壁厚60～80cm，墩底设2.5m 高的实心段。

本桥主墩墩高达到172m，其交界墩也均超过80m 高度，在水电站库区正常蓄水位状态下，主墩淹没水深达到165m，交界墩淹没水深达到67m，因此，地震工况下，水体对桥梁结构的动力特性会产生显著的影响。目前工程上一般采用附加桥墩一定范围的水体质量来体现这种墩和水在运动情况下的耦合作用。本桥设计时，采用赖伟等[3]提出的矩形截面柱体单位高度上动水附加质量的等效公式来计算附加质量的数值。

3 高墩结构型式的选择

为探讨主墩墩型设计对交界墩地震响应的影响，交界墩采用相同的矩形空心薄壁墩，而主墩分别采用：a.单箱单室矩形空心薄壁墩；b. 设置横向联系的新型格构式双肢薄壁墩，以进行对比分析。

单箱单室矩形空心薄壁墩设计构造尺寸为：纵桥向墩顶宽11m，墩底宽13.04m，上部70m 范围内宽度不变，下部按1：100 放坡；横桥向墩顶宽7m，墩底宽12.734m，按1：60 放坡；墩壁厚70～90cm，墩底设3.0m 高的实心段。

格构式双肢薄壁墩是一种新型桥墩形式，是在传统双薄壁桥墩基础上，采用彼此交叉的钢管作为相邻桥墩的横向连接，从而形成的一种复合式桥墩。格构式桥墩由于采用轻质高强的钢结构，较传统空心矩形桥墩混凝土用量小；相邻两薄壁桥墩之间由于采用钢结构作为横向连接，较双肢薄壁桥墩具有较强的纵桥向刚度，有效控制地震作用下主梁的纵向位移。为便于对比，在保证竖向刚度（横截面积）、无水状态下自振周期与矩形空心薄壁墩相近的前提下，拟定格构式双肢薄壁墩的构造尺寸为：单肢纵桥向宽度3.2m，横桥向宽度为12.6m，两肢纵桥向中心间距为8m，横向连接采用Q355 钢材，钢管直径0.35m，壁厚40mm，其有限元模型如图2 所示。

图1 某大桥总体布置图

图2 格构式双肢薄壁墩有限元模型

图3 格构式双肢薄壁墩局部细节

4 矩形空心墩与格构式桥墩对交界墩地震响应的对比分析

根据以上构造尺寸，分别建立两种不同主墩墩型的全桥SAP2000 三维有限元模型，以顺桥向为x 轴，横桥向为y 轴，竖向为z 轴。其中主梁、桥墩均采用三维梁单元模拟，其中主梁采用单梁式力学模型。

采用动水附加质量方法考虑地震与动水的相互作用，如图4 所示，对于格构式桥墩，当桥墩沿纵桥向振动时，桥墩迎水宽度D 与矩形桥墩相当；而当桥墩沿横桥向振动时，由于双薄壁墩中间横向连接系截面尺寸较小，可以认为对水无明显阻挡，此时，相比于矩形桥墩，双薄壁墩的迎水（阻水）宽度大大降低，从而显著减小动水附加质量，有助于减小桥墩在地震作用下的动力响应。

图4 迎水宽度D 对比（桥墩断面俯视图）

选取三条汶川地震波（分别计为：MXNX、MZQP、SFBJ）作为地震输入，并将三条地震波的的峰值加速度调整至0.17g，计算主桥在“纵向+竖向”，“横向+竖向”地震作用下的地震响应。由于通常情况下，E2 地震作用下的地震响应起控制作用，因此本文仅列出5#、8#交界墩关键截面在E2 地震作用下的内力对比结果，其关键截面的选取如表1 所示。

表1 桥都控制截面位置表

表2 桥墩关键截面地震内力响应（输入-E2-MXNX）

表3 桥墩关键截面地震内力响应（输入-E2- MZQP）

图5 桥墩关键截面轴力响应对比（MXNX）

图6 桥墩关键截面弯矩响应对比（MXNX）

图7 桥墩关键截面轴力响应对比（MZQP）

图8 桥墩关键截面弯矩响应对比（MZQP）

图9 桥墩关键截面轴力响应对比（SFBJ）

从表2～表4，图5～图10 的对比可知，相比于矩形空心薄壁墩墩型，在纵桥向地震作用下，采用格构式双肢薄壁墩的深水连续刚构桥的交界墩，其弯矩响应略有增大；而在横桥向地震作用下，交界墩的弯矩响应有一定减小。这是因为格构式桥墩在横向振动时，双薄壁墩中间连接系对水无明显阻挡，桥墩断面的阻水宽度较空心矩形明显减小，从而减小动水附加质量，最终减小桥梁在横桥向地震作用下的动力响应。

表4 桥墩关键截面地震内力响应（输入-E2- SFBJ）

图10 桥墩关键截面弯矩响应对比（SFBJ）

5 结论

相对比单箱单室矩形空心墩，新型格构式双肢薄壁墩在横桥向地震作用下，能使交界墩的地震弯矩相应减小，此外，格构式双肢薄壁墩具有如下优点：混凝土用量小；钢结构连接系在地震作用下可以通过屈服、变形方式耗散能量且易于更换。因此，格构式双肢薄壁墩型具有一定的抗震性能优势，可为深水连续刚构桥梁桥墩型式的抗震设计提供一定的借鉴参考。