邱文亮 姜 萌 黃才良

（大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院 大連 116024）

0 引 言

多城市在拓寬的道路中間架設(shè)起高架橋，以減緩道路擁堵.高架橋的主梁常采用連續(xù)箱梁，其橋墩一般采用獨(dú)柱墩和雙柱墩兩種形式.同獨(dú)柱墩相比，雙柱墩橋梁的箱梁橫向由距離較遠(yuǎn)的支座支承，橫向受力和穩(wěn)定性好，但是橋墩對(duì)橋下交通影響大，不利于橋下交通組織，墩柱林立，橋下視線通透性差，影響城市美觀.因此，對(duì)于沿城市主干路建設(shè)的橋梁，獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁橋是較為合理的橋梁結(jié)構(gòu)形式［1－2］.

為使建設(shè)在道路中間的橋梁盡量少地影響原地面道路交通，獨(dú)柱橋墩橫向尺寸應(yīng)盡量小，但對(duì)于較寬的主梁，較小的橫向尺寸會(huì)使支座間距較小，在偏載情況下支座受力變化較大，連續(xù)梁主梁穩(wěn)定安全系數(shù)低，同時(shí)主梁支點(diǎn)處橫梁受力不利.另外，由于獨(dú)柱墩抗推剛度較大，對(duì)于采用一個(gè)墩頂設(shè)置固定支座的連續(xù)梁，其抗震性能也是橋墩設(shè)計(jì)的控制因素和難點(diǎn)［3－5］.鑒于獨(dú)柱墩連續(xù)梁存在的問(wèn)題，本文提出了2跨T形剛構(gòu)橋梁，并對(duì)2種體系橋梁的抗震性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究.

1 獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)體系

目前采用箱形主梁的獨(dú)柱墩橋梁多采用3～4跨為一聯(lián)的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系，本文提出2跨T形剛構(gòu)體系，見(jiàn)圖1.

圖1 兩種體系橋梁結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

與連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系相比，T形剛構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于考慮到美觀和橋下行車(chē)，連續(xù)梁獨(dú)墩頂?shù)闹ё嚯x較小，車(chē)輛偏載情況下支座受力變化較大，橋梁的側(cè)向穩(wěn)定性差，易于整體傾覆；而采用中墩與梁固結(jié)的T構(gòu)則不存在橋梁整體傾覆問(wèn)題.

2）T形剛構(gòu)中墩與梁固結(jié)，只在交接墩設(shè)小噸位支座，節(jié)省了大量造價(jià)昂貴的支座，按照噸位計(jì)算可節(jié)省50%以上，同時(shí)避免了大噸位支座維修、更換等后期工作.

3）T形剛構(gòu)中墩與梁固結(jié)，墩頂橫梁受力遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于支座支承狀態(tài)，橫向受力更為安全，且節(jié)省了預(yù)應(yīng)力筋.

4）T形剛構(gòu)梁端伸縮量小，單側(cè)溫度變形只有10mm左右，降低了對(duì)支座、伸縮縫活動(dòng)量的要求，進(jìn)一步降低了支座、伸縮縫的造價(jià)和后期維護(hù)費(fèi)用.

5）由于伸縮量較小，可以采用與橋面鋪裝連續(xù)的無(wú)縫伸縮縫，使全橋橋面連續(xù)無(wú)縫，對(duì)行車(chē)舒適性十分有利.同時(shí)，無(wú)縫伸縮縫解決了目前常見(jiàn)的伸縮縫漏水問(wèn)題，提高了梁端和墩臺(tái)的耐久性.

6）連續(xù)梁抗震需采用可抵抗較大水平力的固定支座，并額外設(shè)置構(gòu)造和施工復(fù)雜的抗震措施.

水平地震荷載常常是橋墩強(qiáng)度設(shè)計(jì)的控制因素，由于獨(dú)柱墩梁橋的橫向地震力可以通過(guò)構(gòu)造措施由全部橋墩共同承擔(dān)，縱向地震力則只能由固定橋墩承擔(dān)，且橋墩的橫向尺寸大于縱向尺寸，因此橋墩設(shè)計(jì)受縱向地震力控制.對(duì)于3跨連續(xù)梁橋，其固定墩承擔(dān)3跨主梁的地震慣性力，2跨T形剛構(gòu)的固結(jié)墩承擔(dān)2跨主梁的地震力，而T形剛構(gòu)的固結(jié)墩抗推剛度一般大于連續(xù)梁的固定墩，因此兩種體系橋墩所受的地震力大小不能從直觀上判斷，下面對(duì)2種代表性情況進(jìn)行討論，以獲得一般性結(jié)論.

2 墩底固結(jié)的等截面情況

假定3跨連續(xù)梁和2跨T形剛構(gòu)的固定墩和固結(jié)墩截面尺寸相同，且沿墩高方向?yàn)榈冉孛妫瑫r(shí)假定墩底完全固結(jié)在地基上.因此，可以將固定墩和固結(jié)墩簡(jiǎn)化為如圖2的計(jì)算模型.

假定橋墩的抗彎剛度為EI，則固定墩抗推剛度K1和固結(jié)墩的抗推剛度K2分別為

即有K2＝4K1.

圖2 橋墩簡(jiǎn)化模型

設(shè)每跨主梁的質(zhì)量為m，并忽略墩柱質(zhì)量對(duì)地震力的貢獻(xiàn)，將主梁的質(zhì)量全部聚集在墩頂，則固定墩的自振周期T1和固結(jié)墩的自振周期T2分別為

根據(jù)文獻(xiàn)［6］，水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜S取值如下.

固定墩和固結(jié)墩的墩頂所受的水平地震力分別為H1和H2；地震產(chǎn)生的墩底彎矩分別為M1和M2

根據(jù)橋墩自振周期與橋址特性周期Tg的比較關(guān)系，對(duì)2種體系的橋墩受力討論如下.

從上述關(guān)系表達(dá)式可見(jiàn)，當(dāng)T1＜1.5Tg時(shí)，固結(jié)墩水平地震力H2小于固定墩水平地震力H1；當(dāng)T1＞1.5Tg時(shí)，固結(jié)墩水平地震力H2大于固定墩水平地震力H1，二者最大比值為1.633；而水平地震力產(chǎn)生的固結(jié)墩底部彎矩M2均小于固定墩彎矩M1，二者最大比值為0.816.

3 考慮樁－土相互作用的變截面情況

實(shí)際的獨(dú)柱墩連續(xù)梁設(shè)計(jì)中，為盡量少占用橋下的車(chē)道，橋墩下部的尺寸由滿(mǎn)足受力確定，而橋墩的上部為放置支座則需在橫向逐漸擴(kuò)大，由此形成變截面墩.從連續(xù)梁橋墩的本身受力來(lái)看，上大下小的橋墩是不合理的，而對(duì)于T形剛構(gòu)則由于上部與梁體固結(jié)亦需要抗彎，顯得更為合理.另外，一般情況橋墩的底部也不可能處于固結(jié)狀態(tài)，對(duì)巖石覆蓋層較深的嵌巖樁和摩擦樁，基礎(chǔ)變形不可避免，基礎(chǔ)變形降低了橋墩的抗彎剛度，進(jìn)而減小了橋墩所受的地震力.本文以大連市中山路高架橋?yàn)槔?，考慮橋墩的變截面和樁－土相互作用，采用MIDAS CIVIL軟件建立了圖1所示的2種橋梁結(jié)構(gòu)的全橋有限元模型，利用反應(yīng)譜分析方法進(jìn)一步研究2種體系的地震特性.有限元模型中主梁、橋墩、樁基采用梁?jiǎn)卧M，T形剛構(gòu)中墩與梁固結(jié)，連續(xù)梁的固定墩與梁采用約束全部水平位移的鉸連接，其余設(shè)活動(dòng)支座的墩與主梁采用縱向水平位移自由的鉸連接，土對(duì)樁的作用采用m法，m取值為10 000kN／m2.研究采用二類(lèi)場(chǎng)地，Tg＝0.34s，地震加速度峰值為0.1g.圖3給出了兩種體系橋梁的墩樁的水平地震力，圖4和圖5給出了2種體系橋梁的橋墩和樁基礎(chǔ)的彎矩.

圖3 水平地震力與墩高的關(guān)系

從圖3可以看出，隨著墩高h(yuǎn)的增大，T形剛構(gòu)和連續(xù)梁所受的水平地震力H均迅速減小，除墩高較小時(shí)，二者的變化率基本相近，其比值隨墩高增大，由0.93變化為1.52.除墩高接近3m時(shí)，T形剛構(gòu)所受水平地震力H2小于連續(xù)梁外，其余均大于連續(xù)梁的地震力H1.

圖4 橋墩彎矩與墩高的關(guān)系

從圖4可以看出，T形剛構(gòu)的墩底彎矩M2和墩頂彎矩均小于連續(xù)梁的墩底彎矩M1，墩高h(yuǎn)越小，其差值越大，M2／M1的最小值為0.27，最大值為0.70.隨著墩高h(yuǎn)的增大，T形剛構(gòu)的墩底彎矩基本處于增加狀態(tài)，直到在墩高11m附近達(dá)到最高值，而T形剛構(gòu)的墩頂彎矩和連續(xù)梁的墩底彎矩則有明顯的先增大后減小的變化趨勢(shì)，且在墩高5m附近達(dá)到最大值.

圖5 樁身最大彎矩與墩高的關(guān)系

從圖5可以看出，T形剛構(gòu)的樁身的最大彎矩大于連續(xù)梁的樁身的最大彎矩，墩高h(yuǎn)越小，其差值越大，二者比值的最小值為0.58，最大值為0.82.隨著墩高h(yuǎn)的增大，連續(xù)梁的樁身的最大彎矩快速減小，而T形剛構(gòu)的樁身的最大彎矩則先先增大后減小，并在墩高5m附近達(dá)到最大值.

由此可見(jiàn)，T形剛構(gòu)提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力，在抗震橋墩設(shè)計(jì)強(qiáng)度相同的情況下，T形剛構(gòu)墩底彎矩為同等跨度3跨連續(xù)梁的27%～70%，雖然墩頂彎矩大于墩底彎矩，但是墩頂?shù)慕孛鏀U(kuò)大后承載力大于墩底.另外，經(jīng)分析T形剛構(gòu)墩梁固結(jié)對(duì)主梁的受力影響較小，對(duì)于本橋，地震力產(chǎn)生的梁體最大值平均應(yīng)力為0.87MPa，因此梁體是安全的.

橋墩所受水平地震力隨著橋墩的抗推剛度的增大而增大，連續(xù)梁的橋墩厚度一般是由墩底的地震彎矩、墩頂放置支座和墩頂受力確定的，而T形剛構(gòu)由于沒(méi)有墩頂支座，而且墩身地震彎矩較小，因而其橋墩厚度可以減小，橋墩抗推剛度的減小會(huì)進(jìn)一步減小橋墩所受地震力.

4 結(jié) 論

1）2跨T形剛構(gòu)較3跨連續(xù)梁可以節(jié)省大噸位支座和抗震支座，簡(jiǎn)化了伸縮縫的構(gòu)造，降低了造價(jià)和后期維護(hù)費(fèi)用.采用墩梁固結(jié)，增加主梁的橫向穩(wěn)定性，避免了連續(xù)梁可能出現(xiàn)的整體傾覆，同時(shí)使墩頂橫梁受力大大減小，減低了橫梁的設(shè)計(jì)難度.

2）利用反應(yīng)譜方法，通過(guò)推導(dǎo)墩底固結(jié)等截面情況下T形剛構(gòu)和連續(xù)梁橋簡(jiǎn)化模型的地震力和橋墩彎矩的解析表達(dá)式，研究了不同周期范圍內(nèi)的2種體系地震反應(yīng)；通過(guò)橋梁的整體有限元模型，并考慮樁－土相互作用，對(duì)實(shí)橋進(jìn)行了地震反應(yīng)分析.研究結(jié)果表明，T形剛構(gòu)采用墩梁固結(jié)能夠顯著降低地震力作用下橋墩和樁基的彎矩，提高了橋梁的抗震能力，避免了連續(xù)梁縱向抗震對(duì)支座的抗水平力要求和構(gòu)造復(fù)雜的抗震措施，簡(jiǎn)化了抗震構(gòu)造.

［1］陳枝洪，吳桂勝，孫向東.獨(dú)柱墩連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)受力特征［J］.公路交通科技，2006，23（6）：89－91.

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［3］陳惠發(fā)，段 煉.橋梁工程抗震設(shè)計(jì)［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］邱文亮，姜 萌，張 哲.城市獨(dú)柱墩橋梁結(jié)構(gòu)體系非線性抗震研究［J］.地震工程與工程振動(dòng)，2010（1）：55－58.

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