零号块联结对连续刚构桥抗震性能的影响分析

文凯 朱丽瑶

通过对一座（95+180+180+95） m跨径高墩连续刚构桥的有限元分析，研究了在连续刚构桥左右幅零号块之间设置不同刚度的联结构造对主梁、主墩及桩基地震响应的影响规律。分析发现，在连续刚构桥左右幅主梁零号块之间增设联结构造是一种能提高高墩大跨连续刚构橋主墩及基础抗震性能的有效措施，并可通过调整联结构造的刚度来调节桥梁各个构件在不同受力方向上的地震响应。

高墩大跨； 连续刚构； 抗震设计； 零号块联结

U442.5+5 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者简介］文凯（1989—），男，硕士，高级工程师，从事组合结构桥梁及大跨径桥梁设计与研究工作。

随着我国交通建设事业的发展，高速公路逐渐向山区延伸。山区地形起伏大，高速公路需多次利用桥梁跨越深沟高谷，对桥梁跨径和墩高提出越来越大的需求。连续刚构桥对地形的适应能力强，施工工艺成熟，经济性好，在山区高速公路200 m以内跨径的高墩桥梁中占比极高。

山区地形地质条件受限，居民点分散，路线走廊资源稀少，道路选线难以完全避开高烈度地震区。连续刚构桥上部结构自重较大，在其墩高及跨径进一步加大后，抗震设计的难度越来越大。采取工程措施提高抗震性能成为了高烈度地震区高墩大跨连续刚构桥设计与研究中的重要课题。常见高速公路上的连续刚构桥往往采用左、右线分幅设计，2幅桥的上部结构箱梁、下部结构墩台均相互分离，作为相互独立的2座桥各自承受荷载。在地震作用下，连续刚构桥在横桥向的抗震体系可以看作是一根底部固结的墩柱，上部结构的质量集中于墩顶，抗震受力较为不利。为了提高高墩大跨连续刚构桥的抗震性能，考虑在两幅连续刚构桥之间设置横系梁，将左、右幅桥梁的零号块联结，从而使两幅桥的主墩与横系梁共同形成横桥向的框架结构，协同受力。

以四川乐山至西昌高速公路马边至昭觉段子莫格尼特大桥为背景，利用有限元分析方法，研究左、右幅零号块联结对高墩大跨连续刚构桥抗震性能的影响规律。

1 工程概况

四川乐山至西昌高速公路马边至昭觉段子莫格尼特大桥为跨越S103省道以及美姑河而设。桥位处地震动峰值加速度0.2g，抗震设防烈度为VIII度，场地特征周期0.45 s。主桥采用（95+180+180+95） m预应力混凝土连续刚构桥，引桥采用40 m跨径预应力混凝土简支T梁，小里程侧引桥共10跨，大里程侧引桥共4跨。

桥梁采用左右线分幅设计，左右幅桥梁全长均为1 119 m，单幅桥梁宽度12.6 m。桥梁平面线形由路线设计线形确定，3个主墩处，左、右幅桥梁翼缘之间的净距分别为4.967 m、7.903 m和11.486 m。主桥平面如图1所示。

连续刚构桥的3个主墩高度分别为103 m、148 m和136 m，2个交界墩墩高分别为84 m/82 m和80 m/81 m（斜杠前的数据为左幅桥墩高，斜杠后的数据为右幅桥墩高）。主桥立面如图2所示（以左幅桥为例）。

主墩均为空心薄壁箱形墩，墩顶尺寸8 m（横）×9 m（顺），横桥向按100∶1的坡度双侧放坡；3个主墩标准断面壁厚分别为60 cm、75 cm和75 cm，在墩顶和墩底渐变加厚至150 cm。主墩基础为分离式承台接群桩基础，单幅桥每个主墩设9根2.8 m的钻孔灌注桩。

交界墩均为双柱式矩形空心薄壁墩，墩顶尺寸为2.8 m（横）×3.3 m（顺），顺桥向按80∶1双侧放坡，标准断面壁厚50 cm。交界墩基础为承台接群桩基础，单幅桥每个交界墩设4根2.0 m的钻孔灌注桩。

主桥上部结构为预应力混凝土单箱单室箱梁。主墩处梁高11.5 m，边支点及中跨跨中处梁高3.5 m。

2 左、右幅零号块联结构造

结合主桥零号块的构造，在每个主墩位置的左、右幅桥梁零号块之间设置4道预应力混凝土空心薄壁联系梁，对应于零号块横隔板位置的上端和下端布置。分析中考虑了2种不同刚度的横向联系梁构造，下文中分别称为“强联结”与“弱联结”。强联结横系梁宽1.5 m、高3 m，弱联结横系梁宽1.5 m、高2 m。横系梁构造及位置如图3所示。

另外，本桥12号墩墩高最大，为148 m，而与之相邻的13号墩处左右幅桥梁翼缘间净距为11.486 m，系梁设置难度较大。因此，为结合工程实际，分析中还考虑了一种“单联结”构造，即仅在墩高最大的12号墩顶零号块处设置左右幅主梁间的联系梁，联系梁仍采用4道宽1.5 m、高3 m混凝土空心薄壁截面。

3 抗震分析方法

采用有限元分析软件Midas Civil 2019进行桥梁抗震计算分析。采用空间梁单元有限元模型模拟主桥上、下部结构及基础，同时在大里程侧和小里程侧分别建立一跨引桥T梁模型模拟交界墩处的抗震边界条件。

建立支座上节点和下节点，支座上节点与主梁之间采用刚性连接模拟，支座下节点与盖梁之间采用刚性的弹性连接模拟，在上、下节点之间设置弹性连接模拟橡胶支座以及横向挡块，对减隔震支座以及阻尼器则采用Midas Civil软件内置的一般连接功能模拟。桩基均按实际的土层采用m法计算桩周土弹簧刚度，采用节点弹性支承模拟。

抗震分析方法采用反应谱法。一共建立了4个对比分析模型：无联结模型、强联结模型、弱联结模型和单联结模型。无联结模型为单幅桥的有限元模型，强联结模型、弱联结模型和单联结模型则建立了左右两幅桥梁的计算模型，并在左、右幅桥梁零号块处建立了横向联系梁单元，通过调整横向联系梁单元的位置和截面来模拟不同刚度的零号块联结构造。各桥墩处两幅桥之间的间距根据实际间距建模（图4、图5）。

4 左、右幅零号块联结对桥梁动力特性的影响

4个模型的结构动力特性分析结果显示，高墩大跨连续刚构桥的前10阶振型均为水平方向的振动，竖直方向的振型参与质量均为零。无联结模型分析得到的结构前6阶振型如图6所示。其他3个设置左、右幅零号块联系梁的计算模型分析得到的主要振型形状与无联结模型大致相同，仅出现的顺序有所区别。4个模型计算得到的结构前10阶振型的频率、周期与振型描述如表1所示，振型描述中的“引桥”指该阶振型以引桥振动为主。

从上述结构动力特性分析结果可以看到，主梁横移的振型先于主梁纵移的振型出现，说明盡管主墩在横桥向渐变加宽，桥梁在横桥向的整体刚度仍小于顺桥向的整体刚度。

对比4个模型分析得到的振动模态形状，剔除主要为引桥振动的振型，得到连续刚构主桥的前几阶振动模态。将上述4个模型中具有类似变形特征的主桥振动模态对应的模态号和自振周期如表2所示。

从对比可知，在左右幅主梁零号块之间增加联结构造可提高连续刚构主桥的横向刚度，从而增大桥梁结构基频，缩短一阶自振周期（主梁横移振型）；但增设零号块联结构造后，主桥纵移振型的频率有所降低，对应的自振周期延长；零号块联结构造的刚度越大，上述影响越明显。

5 左、右幅零号块联结对桥梁地震响应的影响

5.1 主梁弯矩

4个模型分析得到的主梁控制截面在E2地震作用下的弯矩对比如表3、表4和图7、图8所示。图表中截面位置以墩号+左右侧标记（L/R）的形式表达，如“D11L”表示11号墩墩顶左侧主梁截面；表中增量百分比为设零号块联结构造的模型在无联结模型的基础上的增量。

从对比可知，在左、右幅主梁零号块之间增加连接构造，会增大主梁在地震作用下的竖弯弯矩，但增加的幅度较小（小于1.2%）；会减小最高墩墩顶左侧主梁截面在地震作用下的横弯弯矩，但是会增大主梁其余5个墩顶截面的横弯弯矩。上述效应均随着连接构造刚度增大而增大。若只在最高墩墩顶设置联结构造，则会增大第二个主跨两端截面的横弯弯矩，减小其余墩顶主梁截面的横弯弯矩。

5.2 主墩内力

4个模型分析得到的主墩在E2地震作用下的内力对比如表5～表7和图9～图11所示。表中结构部位的后缀代表墩号，图中结构部位用墩号+墩顶/墩底标记（T/B）的形式表达，如“D11T”表示11号墩墩顶。表中增量百分比为设零号块联结构造的模型在无联结模型的基础上的增量。

从对比可知，在左、右幅主梁零号块之间增加联结构造，会显著增大主墩在地震作用下的轴力，减小主墩横桥向弯矩，而对主墩顺桥向弯矩有微弱的增大效应（0.6%以内）。随着联结构造刚度的增加，对主墩地震响应的影响也会更明显。若只在最高墩墩顶设置左、右幅主梁联结构造，则只会对当前桥墩的地震轴力产生明显影响，对相邻主墩地震轴力影响不大；联结构造对当前桥墩在地震下的横桥向弯矩有明显减小，但相邻主墩的地震横桥向弯矩反而会明显增大。

另外，左、右幅主桥不设联结构造时，主墩墩顶在横桥向无水平约束，地震下的横桥向弯矩为零，设置联结构造之后，形成框架效应，在地震作用下，联结后的主墩墩顶会出现较大的横桥向弯矩，需核算墩柱横桥向的配筋设计，适当加强。

5.3 主墩桩基内力

4个模型分析得到的桩基在E2地震作用下的内力对比如表8～表10和图12～图14所示。图表中结构部位的后缀代表墩号。表中增量百分比为设零号块联结构造的模型在无联结模型的基础上的增量。

从对比可知，在左、右幅主梁零号块之间增加联结构造后，最高墩的桩基在地震下的轴力有所减小，其余主墩桩基的地震轴力有所增大；主墩桩基的顺桥向弯矩变化没有明显规律；主墩桩基在地震作用下的横桥向弯矩有较明显的减小。联结构造刚度越大，上述影响越明显。

若只在12号墩处设置左、右幅连接构造，对相邻的13号桥墩的桩基横桥向弯矩有较明显的增大，对11号桥墩的桩基横桥向弯矩有所减小。

5.4 主梁位移

各个模型E2地震作用下的主墩墩顶位移对比如表11、表12、图15、图16所示。图表中结构部位的后缀代表墩号。表中增量百分比为设零号块联结构造的模型在无联结模型的基础上的增量。

增加横向联结对墩顶横桥向位移改善效果明显，对墩顶顺桥向位移略有增大；增大联结刚度，墩顶横桥向位移会进一步减小。若仅在高墩处零号块设置左、右幅连接构造，设连接处墩顶横桥向位移减小明显，但相邻主墩墩顶横桥向位移有较明显的增大。

6 结论

（1）在连续刚构桥左、右幅主梁零号块之间增设联结构造可提高主桥横向刚度，与两幅桥主墩形成框架共同抵抗横桥向地震，可增大桥梁结构基频，缩短一阶自振周期（主梁横移振型），减小地震作用下主桥横桥向位移、主墩墩底横桥向弯矩及主墩桩基横桥向弯矩，是一种能提高高墩大跨连续刚构桥主墩及基础抗震性能的有效措施。

（2）在连续刚构桥左、右幅主梁零号块之间增设联结构造会增大主墩及桩基在地震作用下的轴力、主墩墩顶及主梁的横桥向弯矩，因此在实际工程应用中需注意对相关的构件进行核算，并可通过调整联结构造的刚度来调节各个构件在不同受力方向上的地震响应。

（3）多主墩连续刚构桥中，仅在某一个主墩墩顶的左、右幅零号块之间设置联结构造，会对相邻主墩的抗震受力产生较明显的不利影响。

参考文献

［1］ 尚维波，张春宁.高墩刚构桥系梁抗震分析［J］.长安大学学报（自然科学版），2012，32（1）：62-65.

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