脉冲型地震动作用下双薄壁墩参数对矮塔斜拉桥地震反应的影响

李亮亮

(兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

矮塔斜拉桥是一种较为少见的组合体系桥梁，有着塔矮、梁刚、索集中、造型独特优美，可以和城市景观完美融为一体的特点，其受力特点介于连续梁桥和斜拉桥之间[1]。但对其在近场脉冲型地震作用下的抗震性能方面的研究还不够深入。近年来发生的汶川地震、熊本地震、花莲地震、青海玛多地震等地震记录都表现出了明显的近断层脉冲型地震动特性[2]，因此，大量的学者开始关注脉冲型地震动对中长周期结构的反应。对于矮塔斜拉桥这种中长周期结构，桥墩作为其的主要抗力构件[3]。

在脉冲型地震动特性研究方面，Connor P[4]等从太平洋地震中心提取大量地震波分类为不同脉冲周期的近断层脉冲运动，并进一步细分了脉冲运动。郑史雄[5]等研究了多脉冲地震作用下高墩桥梁地震反应。张凡等[6]研究了不同分类的脉冲型地震动对大跨斜拉桥地震反应规律。在双薄壁墩研究方面，徐岳[7]等建立了连续刚构桥双薄壁墩参数的理论方法。陈爱军[8]等采用试验方法发现双薄壁墩墩底及系梁破坏最为严重。张永亮[9]等分析了远场地震作用下双薄壁墩连续刚构桥地震反应参数。石雄伟[10]和宋帅[11]分别研究了墩间距和墩高对连续刚桥地震反应的影响。已有研究主要存在两个问题：① 对矮塔斜拉桥此类结构形式特殊的桥型,在脉冲型地震作用下对桥墩的地震反应研究不足；②在强震作用下对双薄壁墩几何参数分析主要集中在连续刚构桥上，对城市矮塔斜拉桥双薄壁墩参数分析研究内容较少。

因此，以一座塔-梁-墩固结体系的城市矮塔斜拉桥为原型，选取3条近场脉冲型地震记录和3条远场无脉冲型地震记录，对其进行非线性时程分析。探究脉冲型地震动下双薄壁墩的几何参数对矮塔斜拉桥桥墩地震反应影响规律，为抗震设计中双薄壁墩几何参数取值提供一些参考依据。

1 工程实例

桥址位于甘肃省东南部渭河上，采用双塔三跨矮塔斜拉，为塔-梁-墩固结体系，桥跨布置为(75+126+75)m。上部结构采用变高度预应力混凝土连续箱梁，斜拉索梁上间距为4 m，塔上间距1 m，采用可换索索式AT-43和AT-55群锚体系，两端张拉。桥塔和主梁采用固结形式，塔高20 m，横桥向塔底宽3.5 m，塔顶宽6.5 m，纵桥向塔宽2.4 m。主墩采用双薄壁墩，墩身厚1 m，宽18 m，高25 m，双肢中心距5 m，基础采用承台+桩基础。两侧过渡墩各设置2个型号为SHDR1 020*1 020*240G1.0(20)的超高阻尼橡胶支座和2个型号为GBZJH700*700*174 (CR)的矩形滑板橡胶支座。桥梁整体及部分细节布置如图1所示。

(a) 立面(单位：m)

(b) 主梁截面(单位：cm)

(c) 双薄壁墩截面(单位：cm)图1 全桥细节布置

2 有限元模型及结构动力特性分析

基于有限元软件建立全桥弹塑性模型，如图2所示。主塔、主梁、盖梁、承台、桩基采用弹性梁单元模拟，双薄壁墩采用弹塑性纤维单元进行模拟，可考虑动轴力下墩的非线性行为，纤维截面划分如图3所示。钢筋纤维采用双折线模型，混凝土纤维采用Mander模型，斜拉索采用桁架单元模拟。过渡墩上的超高阻尼橡胶支座使用一般连接进行模拟，滑板支座和桩-土相互作用采用弹簧单元模拟，土弹簧侧向刚度通过“m”法计算。通过改变双薄壁墩壁厚参数、双肢中心距参数、墩高参数建立了7个有限元模型。双薄壁墩模型几何参数和前5阶频率如表1所示。

图2 桥梁有限元模型

图3 1#2桥墩局部纤维截面划分

由表1和有限元模态计算结果可知：

1) 双薄壁墩壁厚由1 m增加到1.2、1.4 m时，结构基频从0.38 Hz增加到0.47、0.56 Hz，分别增大了23.7%和47.4%，2～5阶自振频率增幅较小，在3.4%～7.8%之间。因此，双薄壁墩壁厚主要影响结构基频，对结构高阶频率影响较小。

2) 双薄壁墩双肢中心距从4 m增加到5、6 m时，结构基频不变，但2～5阶自振频率增大，增幅在3.4%～13.1% ，4～5阶振型次序发生改变。双肢中心距对结构高阶频率影响显著。

表1 双薄壁墩模型几何参数

3) 双薄壁墩墩高由20 m增加到25、30 m时，结构基频从0.51 Hz减小到0.38、0.30 Hz，分别减小了25.5%和41.2%，2～5阶自振频率也随之减小，减小幅度在6.5%～21.5%之间，3～5阶振型次序发生改变。墩高同时影响结构基频和高阶频率。

3 地震波选取

基于太平洋地震中心数据库，根据E2地震作用下的目标谱选取3条PGV/PGA>0.2，断层距<20 km的脉冲型地震记录；3条PGV/PGA<0.2，断层距>60 km的远场无脉冲型的地震记录。调幅至罕遇地震水平0.51g，进行非线性时程分析。地震动输入方式为横向和纵向，地震动记录信息见表2。所选6条地震记录的加速度反应谱如图4所示。

4 双薄壁墩几何参数对桥墩地震反应的影响

工程案例中原型桥梁结构基本对称，以模型A为例，双薄壁墩靠近中跨一侧内力反应稍大，因此取其内力反应最大的墩为研究对象，即1#2墩。计算3条脉冲型地震记录和3条无脉冲型地震记录分别沿横桥向输入和纵桥向输入。为探究脉冲型地震动和远场无脉冲型地震下双薄壁墩几何参数对矮塔斜拉桥的地震反应，对比各墩墩底内力反应，提取2组地震动记录中墩底内力反应最大的数据。限于篇幅此处只给出6条地震记录，沿横向输入地震时各墩墩底弯矩反应，如图5所示。纵向输入时各墩墩底反应与横向输入时类似，不再赘述。

表2 地震动记录信息

图5 横向激励时墩底弯矩

4.1 壁厚对桥墩地震反应的影响

双薄壁墩双肢中心距为5 m，墩高25 m，纵筋、箍筋配筋率相同，壁厚分别取1 、1.2 、1.4 m时墩的地震反应结果如图6和7所示。壁厚1.2 m，横向脉冲型地震动激励时，较无脉冲地震动激励时桥墩的地震反应明显增大，墩底剪力、墩底弯矩分别增大了24.7%、27.3%。脉冲型地震动激励下,壁厚从1.4 m减小到1 m时，墩底剪力、墩底弯矩分别减小了3.0%和2.9%。由图6可知，墩底弯矩-曲率滞回曲线呈现反S型，滞回环面积随着壁厚的减小略有增大，但墩底未形成明显塑性铰，墩底塑性变形较小。横向激励时壁厚对墩的地震反应影响较小。

壁厚1.2 m时，纵向脉冲型地震动激励下，较无脉冲地震动激励时，桥墩的地震反应明显增大，墩底剪力、墩底弯矩分别增大了33.3%、42.9%。由图7可知，脉冲型地震动激励下,壁厚从1.4 m减小到1 m时，墩底剪力、墩底弯矩分别减小了32.1%和33.5%；壁厚取值越小，墩底弯矩-曲率滞回环面积越大，能更好的吸收和耗散地震能量，壁厚越小墩的延性越好。

图6 横向脉冲型地震激励下墩底弯矩-曲率曲线

(a) 主墩纵向弯矩

(b) 墩底弯矩-曲率曲线图7 纵桥向激励时主墩地震反应弯矩及曲线

在脉冲型地震动激励下，双薄壁墩地震反应明显增大，在工程合理取值范围内双薄壁墩壁厚取值越小，桥墩地震反应越小，墩底塑性铰滞回耗能能力越强，延性越高。双薄壁墩矮塔斜拉桥在纵向地震激励下延性较好，而在横向地震激励时墩吸收地震能量能力较差，延性较差。

4.2 双肢中心距对桥墩地震反应的影响

双薄壁墩壁厚1 m，墩高25 m，纵筋、箍筋配筋率相同，双肢中心距分别取4 、5 、6 m时，墩的地震反应结果如图8和9 所示。双肢中心距为5 m时，横向脉冲型地震动激励下，相比于无脉冲地震动时，墩的地震反应明显增大，墩底剪力、墩底弯矩分别增加了27.4%、29.4%。脉冲型地震动激励下，双肢中心距从4 m增加到5和6 m时，墩的剪力、墩的弯矩、墩底弯矩-曲率滞回面积基本一致，滞回曲线呈现S型，滞回环不饱满，墩的延性和耗能能力较差，墩底未形成明显塑性铰，横向激励时双肢中心距对墩的地震反应影响较小。

图8 横向脉冲型地震激励下墩底弯矩-曲率曲线

(a) 主墩弯矩

(b) 墩底弯矩-曲率曲线图9 纵桥向激励时主墩地震反应弯矩及曲线

双肢中心距为5 m时，纵向脉冲型地震动激励下，相比于无脉冲地震动时墩的地震反应明显增大，墩底剪力、墩底弯矩分别增加了50.0%、49.3%。脉冲型地震动激励下，双肢中心距对墩底内力反应敏感于无脉冲地震动激励。双肢中心距为5 m时桥墩内力反应最小，较双肢中心距为4 m时，墩底剪力、墩底弯矩分别减小了9.4%、11.9%,墩底弯矩-曲率滞回环面积基本相等，双肢中心距对墩底塑性铰耗能和桥墩延性基本没有影响。

双肢中心距总体上对桥墩地震反应影响较小。在远场无脉冲型地震动激励下，双肢中心距对桥墩内力反应没有影响，在脉冲型地震动激励下双肢中心距对桥墩内力反应影响明显增加。双肢中心距最优取值需通过多次计算确定，本工程背景中矮塔斜拉桥双薄壁墩双肢中心距取5 m最佳。

4.3 墩高对桥墩地震反应的影响

地震记录在纵向激励时，墩高参数对双薄壁墩地震反应影响较为显著，限于篇幅只分析双薄壁墩纵向地震反应。双薄壁壁厚为1 m，双肢中心距为5 m，配筋率相同，墩高分别取20、25、30 m，墩的纵向地震反应弯矩及曲线如图10所示。

由图10可知，墩高25 m时，脉冲型地震动纵向激励下，相比于无脉冲地震动激励时墩底剪力、墩底弯矩增大39.4%、49.3%，墩底塑性变形显著增大。随着墩高增加，墩底内力呈现减小的趋势，墩高变化对桥墩延性基本无影响。墩高由20 m增加到30 m时，无脉冲地震激励时，墩底剪力、墩底弯矩分别减小47%、33%；脉冲地震激励时，墩底剪力、墩底弯矩分别减小26%、3%。

综上所述，增加墩高能减小双薄壁墩的地震反应，无脉冲地震激励时能显著减小墩底剪力、墩底弯矩，脉冲地震激励时能显著减小墩底剪力。出现这种现象的原因是可能增加墩高能延长结构基本周期，从而降低地震放大效应,减小地震反应。无脉冲地震动含有较丰富的高频成分，脉冲型地震动低频成分丰富，结构基本周期越长对远场地震反应较小，效果显著。

5 结论

1) 双薄壁墩壁厚对矮塔斜拉桥基频影响较大，双肢中心距对结构高阶频率影响较大，墩高同时影响结构基频和高阶频率。

(a) 主墩墩底纵向剪力

(b) 主墩墩底纵向弯矩

(c) 主墩墩底纵向曲率图10 纵桥向激励时主墩纵向地震反应弯矩及曲线

2) 矮塔斜拉桥在地震作用下，中跨侧肢墩内力反应大于边跨侧肢墩。

3) 脉冲型地震动相较于远场地震动，横向作用时，墩底弯矩、剪力反应增幅超过20%；纵向作用时，墩底弯矩、剪力反应增幅超过30%。

4) 在远场及脉冲型地震动作用下，减小双薄壁墩壁厚、增加墩高可以减小墩底弯矩、剪力反应。远场地震作用下，双肢中心距对墩的弯矩、剪力反应没有影响，脉冲型地震动作用下，双肢中心距对墩的弯矩、剪力反应影响较大。

5) 减小双薄壁墩壁厚可提高桥墩延性，双肢中心距和墩高参数基本不影响桥墩延性。