謝群華

（東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋抗震性能分析

謝群華

（東南大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210096）

雙肢薄壁墩和單柱式墩是連續(xù)剛構(gòu)橋的常用橋墩結(jié)構(gòu)形式，為研究橋墩形式對橋梁的影響，以某連續(xù)剛構(gòu)橋為基礎(chǔ)，建立空間有限元模型，對比分析雙肢薄壁墩和單柱式墩對連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性與地震相應(yīng)的影響，研究預(yù)應(yīng)力對橋梁地震響應(yīng)和抗震性能驗算的影響。結(jié)果表明，相同截面情況下，雙肢薄壁墩比單柱式墩受力更為合理，預(yù)應(yīng)力對剛構(gòu)橋地震響應(yīng)影響不大，但抗震性能驗算時必須考慮預(yù)應(yīng)力作用，且雙肢墩的內(nèi)外兩肢受力要協(xié)調(diào)，避免正常使用狀況下內(nèi)外兩肢內(nèi)力相差過大。

雙肢薄壁墩；單柱式墩；剛構(gòu)橋；預(yù)應(yīng)力；抗震性能

連續(xù)剛構(gòu)橋具有造型優(yōu)美、跨越能力強、施工方便、造價低等優(yōu)點，近年來在我國山高谷深的西南、西北地區(qū)大量采用。2008年在汶川地震中廟子坪大橋是近年國內(nèi)第一座大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋震害實例，主要震害是橋墩開裂和傾斜［1］，并且5號墩水下部分出現(xiàn)橫向貫通裂縫，裂縫寬度達0.8 mm。剛構(gòu)橋的易損部位位于墩頂和墩底［2-3］，由于剛構(gòu)橋一般跨越峽谷或河流，震后維修較為不便，因此開展大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋的抗震性能評價尤為重要。

汶川地震后國內(nèi)學(xué)者對連續(xù)剛構(gòu)橋進行了較多研究，夏修身、陳興沖等［4］對鐵路剛構(gòu)橋進行了研究，提出對其進行彈性抗震設(shè)計是不經(jīng)濟的，尚維波等［5］對高墩剛構(gòu)橋體系梁進行了抗震研究，李子春［6］針對不同的橋墩形式對剛構(gòu)橋的動力特性進行了研究，但是對雙肢薄壁剛構(gòu)橋的協(xié)同受力沒有研究。本文針對在公路橋梁上采用雙肢薄壁墩或單柱式墩，進行了動力性能比較，并對地震荷載作用下的內(nèi)力進行了相應(yīng)對比，分析了預(yù)應(yīng)力鋼束對橋墩抗震性能的影響。

1 工程概況

某3跨大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋跨徑組成為（97+176+ 97）m，全長370 m，橋梁總體布置圖見圖1。主梁采用單箱單室箱梁，墩頂主梁高10 m，跨中主梁高4 m，梁高沿跨徑方向按二次拋物線變化。主橋墩墩高31 m （30.5 m），橋墩形式采用雙薄壁墩或單柱式墩，兩者面積相等，截面見圖2，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本文主要分析地震作用下的影響規(guī)律，選取50年超越概率2%地震動水準(zhǔn)反應(yīng)譜進行分析，見圖3。

圖 1 橋梁總體布置圖（單位：cm）

圖2　 橋墩截面（單位：cm）

圖3　 地震動反應(yīng)譜

采用有限元程序，建立三維有限元動力計算模型進行抗震性能分析，計算模型均以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎橋向為Z軸，主梁、橋墩均采用空間梁單元模擬，建立橋梁動力模型，在承臺底用六自由度彈簧模擬樁土作用。地震動的輸入模式取工況1（縱向+豎向）和工況2（橫向+豎向），豎向地震動與水平向反應(yīng)譜的0.65倍。

2 橋墩形式對抗震性能的影響

2.1 動力特性分析

橋梁的動力特性是進行橋梁抗震性能分析的基礎(chǔ)［7］。不同橋墩形式下剛構(gòu)橋的動力特性見表1（僅列出前5階）。

表1　 橋梁結(jié)構(gòu)動力特性

由表1可以看出不同橋墩形式振型出現(xiàn)的順序一致，除第1階周期相差較大以外，其余4階振型相差較小。雙肢薄壁墩的第1階縱向周期比單柱式墩的大51.5%，可以明顯減小縱向自振周期，說明雙肢墩體系縱向較柔，可降低橋墩的地震反應(yīng)；但是，雙肢薄壁墩和單柱式橋墩在橫橋向上振型較為一致，動力特性改善很小。

2.2 地震響應(yīng)分析

連續(xù)剛構(gòu)橋采用墩梁固結(jié)體系，墩頂和墩底是抗震設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)［2-3］。為研究剛構(gòu)橋地震作用下的受力性能，以左側(cè)橋墩為例，選取墩頂和墩底截面、主梁跨中截面和主梁墩頂截面等控制截面（見圖2），研究墩柱形式對抗震性能的影響。

2.2.1 縱橋向地震反應(yīng)分析

在50年超越概率3%的地震動水平下縱橋向主要控制截面的內(nèi)力見表2。

表2　 縱橋向主要控制截面內(nèi)力

由表2可以看出，與單柱墩相比，雙肢墩的墩頂軸力大于單柱墩軸力，內(nèi)外兩肢分別大41.9%、20.8%，雙肢墩的剪力遠(yuǎn)小于單柱墩，單柱墩的剪力是雙肢墩剪力的2.8倍，雙肢墩的內(nèi)外兩肢的彎矩均小于單柱墩，為單柱墩的38%，墩底截面內(nèi)力呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律。主梁跨中和主梁墩頂截面軸力雙支墩均小于單柱墩，分別為單柱墩的82.9%、75.9%，雙支墩主梁跨中截面的剪力遠(yuǎn)小于單柱墩，為單柱墩的45.2%，跨中截面彎矩相差不大；主梁墩頂截面剪力相差不大，但主梁墩頂截面彎矩雙肢墩小于單柱墩，為單柱墩的96.4%，說明雙肢墩對主墩、主梁跨中和墩頂截面是有利的。

2.2.2 橫橋向地震反應(yīng)分析

在50年超越概率3%的地震動水平下橫橋向主要控制截面的內(nèi)力見表3。

由表3可以看出，與單柱墩相比，外肢橫橋向地震反應(yīng)軸力稍大于單柱墩軸力，比單柱墩大20.8%，內(nèi)肢小于單柱墩軸力，為單柱式墩的94.9%，雙肢墩的剪力遠(yuǎn)小于單柱墩，單柱墩的剪力是雙肢墩剪力的1.4～2.2倍；雙肢墩的內(nèi)外雙肢的彎矩均小于單柱墩，分別為單柱墩的83.6%、60.3%。墩底內(nèi)力相應(yīng)呈現(xiàn)類似的規(guī)律；雙肢墩主梁跨中截面軸力小于單柱墩，為單柱墩的80.7%，墩頂截面軸力、雙肢墩主梁跨中截面和主梁墩頂截面剪力以及跨中截面彎矩均相差不大，內(nèi)力之差小于8%，說明雙肢墩對橫橋向主墩內(nèi)力改善較大，但對主梁內(nèi)力改善很小。

表3　 橫橋向主要控制截面內(nèi)力

3 預(yù)應(yīng)力對橋墩抗震性能的影響

預(yù)應(yīng)力的作用在抗震分析中一般忽略不計［8-10］，研究預(yù)應(yīng)力對雙薄壁墩剛構(gòu)橋地震力的影響以及抗震性能驗算的影響，分析預(yù)應(yīng)力在剛構(gòu)橋抗震設(shè)計中的作用。

3.1 預(yù)應(yīng)力對雙肢墩的影響

恒載作用下和恒載+預(yù)應(yīng)力作用下內(nèi)外雙肢橋墩墩頂和墩底的內(nèi)力見表4。

由表4可以看出，同一橋墩內(nèi)外兩肢在恒載作用下內(nèi)力相差較大，內(nèi)肢與外肢軸力之比為11:1，剪力為1.4∶1，彎矩為1.3∶1～1.4∶1；考慮預(yù)應(yīng)力作用后，內(nèi)外兩肢內(nèi)力差距逐漸減小，內(nèi)肢與外肢軸力之比為1.4∶1～1.6：1，剪力為0.8∶1，彎矩為0.8∶1。為分析預(yù)應(yīng)力作用對雙肢墩受力性能的影響，將原圖紙中的預(yù)應(yīng)力鋼束為19根Φ15.2鋼束變換為27根Φ15.2鋼束，稱為model2，將原模型稱為model1，研究預(yù)應(yīng)力鋼束改變對橋梁抗震性能的影響。

表4　 恒載+預(yù)應(yīng)力作用下橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力

3.2 預(yù)應(yīng)力對地震力的影響

地震作用下內(nèi)外兩肢墩頂和墩底的內(nèi)力見表5。

縱向和橫向地震作用下，鋼束變化對地震力影響可以忽略，誤差在2%以內(nèi)，因此在進行地震力分析時，可以不考慮預(yù)應(yīng)力鋼束的影響。

表5　 地震作用下關(guān)鍵截面內(nèi)力對比

3.3 預(yù)應(yīng)力對抗震性能的影響

抗震性能驗算時，要考慮永久作用與地震力［2］。工況分為：工況1（恒載+預(yù)應(yīng)力+縱向+豎向）和工況2（恒載+預(yù)應(yīng)力+橫向+豎向）。研究分析預(yù)應(yīng)力對抗震性能的影響。兩種工況下的內(nèi)力見表6、表7。

由表6可以看出，改變預(yù)應(yīng)力鋼束后，縱橋向作用下，除內(nèi)肢墩頂、墩底軸力減小（約20%左右）以外，其余截面內(nèi)力均增大（10%～15%），內(nèi)外兩肢軸力分配更為均勻，由原來的0.48∶1變化為0.86∶1。由表7可以看出，橫橋向作用下，除軸力變化較大外，外肢軸力增大35%，內(nèi)肢軸力減小20%左右，內(nèi)外兩肢軸力分配更為均勻，由原來的0.51∶1變化為0.87∶1，其余截面內(nèi)力基本不變，可以忽略不計。

表6　 恒載+預(yù)應(yīng)力+縱向地震作用下橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力

表7　 恒載+預(yù)應(yīng)力+橫向地震作用下橋墩關(guān)鍵截面內(nèi)力驗算

剛構(gòu)橋的墩頂或墩底一般設(shè)置成塑性鉸區(qū)，大震時形成延性破壞，鋼筋受拉首先屈服，核心混凝土壓碎，利用塑性鉸耗散能量［7］。橋墩截面N-M曲線見圖4。由圖4可知，剛構(gòu)橋橋墩屬于大偏心受壓構(gòu)件，軸力越大，極限彎矩也就越大。而同一橋墩的內(nèi)外兩肢受力不均衡，在大震作用下，軸力較小的一側(cè)外肢）容易首先發(fā)生破壞，對抗震來說較為不利。由表6和表7可知，改變預(yù)應(yīng)力鋼束后，內(nèi)外兩肢軸力分配更為均勻，從N-M曲線可以看出，外肢抗震性能大大改善，對橫橋向抗震是有利的。由以上分析可知，這主要是由預(yù)應(yīng)力作用引起的，預(yù)應(yīng)力的大小改善了內(nèi)外兩肢的受力性能。因此，在進行預(yù)應(yīng)力設(shè)計時，不僅要考慮主梁截面的抗裂驗算，還要考慮其對橋墩雙肢受力性能的影響。

圖4　 橋墩截面N-M曲線

4 結(jié)論

對雙薄壁墩和單柱式墩的受力性能進行了對比分析，并進行了預(yù)應(yīng)力對雙薄壁墩抗震性能的影響分析，主要結(jié)論如下：

（1）設(shè)置雙薄壁橋墩的連續(xù)剛構(gòu)橋與單薄壁墩的連續(xù)剛構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)體系更柔，可明顯減小縱向頻率，但對橫橋向的動力改善很小。

（2）預(yù)應(yīng)力對剛構(gòu)橋地震內(nèi)力的影響很小，可以忽略不計；在進行抗震性能驗算時，預(yù)應(yīng)力作用不可忽略。

（3）預(yù)應(yīng)力計算時不僅滿足主梁截面驗算，而且應(yīng)驗算橋墩受力。若橋墩雙肢受力不均勻，可通過增加預(yù)應(yīng)力筋的方式使主墩內(nèi)外雙肢受力協(xié)調(diào)。

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［2］JTG/T B02-01—2008公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則［S］.

［3］CJJ 166—2011城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

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［5］尚維波，張春寧.高墩剛構(gòu)橋系梁抗震分析［J］.長安大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012，32（1）：62-65.

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［7］王克海.橋梁抗震研究［M］.北京：中國鐵道出版社，2007：256-263.

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［9］楊昀，周列矛，周永軍.彎橋和高墩［M］.北京：人民交通出版社，2011：233-280.

［10］邵旭東，胡建華.橋梁設(shè)計百問（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2003：126-133.

Seismic Performance Analysis of A Long-span Continuous Rigid Frame bridge

Xie Qunhua
（Architects & Engineers Co. Ltd. of Southeast University, Nanjing 210096,China）

Double thin-wall pier and single column pier were two common forms of continuous rigid frame bridges. In order to study the influence of the bridge pier forms, this paper established space finite element model of a continuous rigid frame bridge. It compared the dynamic characteristics and earthquake response between double thin-wall pier and single column pier, The influence of prestress on seismic response and seismic performance evaluation also been studied. The results showed that the performance of double thin-wall pier was more reasonable than that of single column pier, the influence of prestress on seismic response was too small, but it should be considered for seismic performance evaluation. And the force of internal and external limb should be reasonable to avoid large difference between the two limbs in serviceability state.

double thin-wall pier; single column pier; rigid frame bridge; prestress; seismic performance

U442.5+5

A

1672-9889（2016）04-0032-04

謝群華（1980-），男，湖南婁底人，工程師，主要從事橋梁隧道設(shè)計工作。

2015-10-01）