單傳亮

（中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

橋墩尺寸及基礎(chǔ)剛度對(duì)高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋受力及自振特性的影響分析

單傳亮

（中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

以阿富準(zhǔn)鐵路額爾齊斯河高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)為工程背景，研究了橋墩尺寸和基礎(chǔ)剛度對(duì)高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋受力及自振特性的影響。結(jié)果表明:橋墩尺寸的增大引起墩頂、墩底彎矩的增加，但對(duì)梁體跨中彎矩影響很?。辉黾訕蚨毡诤駥?duì)橫向自振頻率影響最大，增加橋墩橫向尺寸對(duì)其的影響次之；隨著基底模擬剛度的增大，墩底彎矩增加較多，而其他截面受力變化很小。

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋；橋墩尺寸；基礎(chǔ)剛度；自振特性；高墩

1　工程概況

1.1主橋概況

額爾齊斯河特大橋位于新疆阿勒泰地區(qū)富蘊(yùn)縣境內(nèi)，是新建阿勒泰至富蘊(yùn)鐵路的控制性工程之一。該橋?yàn)榭缭筋~爾齊斯河而建，橋梁全長(zhǎng)592.81m，位于直線(xiàn)、緩和曲線(xiàn)及半徑3000m的圓曲線(xiàn)上。主橋采用（60.75+100+60.75）m連續(xù)剛構(gòu)，兩個(gè)主墩高63m，場(chǎng)址地震動(dòng)峰值加速度0.23g，地震基本烈度8度，主橋立面布置見(jiàn)圖1。

圖1　主橋立面布置（單位：m）

1.2箱梁構(gòu)造

梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，中支點(diǎn)處梁高7.5m，跨中及邊墩現(xiàn)澆段梁高4.6m，梁底曲線(xiàn)為二次拋物線(xiàn)，拋物線(xiàn)方程為y=0.0001432x2。箱梁頂寬7.5m，底寬5.0m，中支點(diǎn)處梁底局部加寬至7.0m。箱梁頂板厚0.4m，底板厚0.5～1.0m，腹板厚0.45～0.80m。箱梁在中墩及邊墩墩頂設(shè)置橫隔墻，中墩頂設(shè)2道橫隔墻，厚度均為1.5m。

1.3下部構(gòu)造

剛構(gòu)部分5#，6#主墩采用矩形空心墩，兩墩墩頂處空心段壁厚1m，墩頂及墩底分別設(shè)置3，5m的實(shí)體段?；A(chǔ)采用16根1.8m的樁基礎(chǔ)，樁間距縱向4m，橫向6m，邊墩采用圓端形空心墩。

2　大跨連續(xù)剛構(gòu)橋梁受力特點(diǎn)

剛構(gòu)橋由于墩梁固結(jié)，受力較連續(xù)梁復(fù)雜。橋墩尺寸決定了橋墩的縱、橫向剛度，主墩的縱向剛度越大，所受縱向力也越大。墩梁的相對(duì)剛度還決定了墩梁之間的內(nèi)力分布。另外，高墩大跨度剛構(gòu)橋梁必須有足夠大的橫向剛度以滿(mǎn)足橫向墩頂位移和行車(chē)安全的要求，但本橋地震烈度高，增大橫向剛度會(huì)引起地震力的大幅增加。橋梁的自振特性是橋梁剛度和抗震分析的重要參數(shù)。針對(duì)以上特點(diǎn)，結(jié)合額爾齊斯河特大橋工程實(shí)例，分析橋墩尺寸及基礎(chǔ)剛度對(duì)高墩大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋受力及自振特性的影響。

2.1橋墩尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

額爾齊斯河特大橋5#，6#主墩采用矩形空心墩，尺寸為縱向6m，內(nèi)外坡均為直坡；橫向墩頂7m，外坡30∶1，內(nèi)坡45∶1，墩頂處壁厚1m。以5#主墩尺寸為例，以0.2m分級(jí)分別考慮以下3種方案：

方案1：縱橫向尺寸及坡度不變，壁厚分別采用0.6，0.8，1.0，1.2，1.4m；

方案2：橫向尺寸、壁厚及坡度不變，縱向尺寸分別采用5.6，5.8，6.0，6.2，6.4m；

方案3：縱向尺寸、壁厚及坡度不變，橫向尺寸分別采用6.6，6.8，7.0，7.2，7.4m。

1）空心墩壁厚

選取方案1，分別計(jì)算在主力及主力+附加力作用下橋梁的邊跨跨中、中跨跨中、墩頂、墩底截面的彎矩?？招亩毡诤駥?duì)結(jié)構(gòu)受力的影響見(jiàn)圖2。

圖2　空心墩壁厚對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

2）空心墩縱向尺寸

選取方案2，分別計(jì)算在主力及主力+附加力作用下橋梁的邊跨跨中、中跨跨中、墩頂、墩底截面的彎矩?？招亩湛v向尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響見(jiàn)圖3。

3）空心墩橫向尺寸

選取方案3，分別計(jì)算在主力及主力+附加力作用下橋梁的邊跨跨中、中跨跨中、墩頂、墩底截面的彎矩。空心墩橫向尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響見(jiàn)圖4。

分析圖2—圖4可知：

1）隨著空心墩壁厚的增大，4個(gè)截面處的彎矩均增加，墩底彎矩增加了24.7%，墩頂彎矩增加了11.8%，梁體跨中截面的彎矩增加值較小，均＜2%。

2）隨著空心墩縱向尺寸的增大，墩底彎矩增加了23.6%，墩頂彎矩增加了6.8%，梁體中跨跨中彎矩基本不變，邊跨跨中彎矩略有減小。

3）隨著空心墩橫向尺寸的增大，墩底彎矩增加了4.5%，墩頂彎矩增加了2.1%，梁體中跨及邊跨跨中彎矩基本不變。

圖3　空心墩縱向尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

圖4　空心墩橫向尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

2.2基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

在對(duì)剛構(gòu)橋梁的靜力和抗震分析過(guò)程中，通常用承臺(tái)底6個(gè)自由度的彈簧剛度模擬樁土的相互作用，這6個(gè)彈簧剛度分別是豎向剛度、順橋向和橫橋向的抗推剛度、繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個(gè)水平軸的抗彎剛度。以5#主墩為例，將基礎(chǔ)縱向剛度擴(kuò)大0.5，1，2，4，8倍，分析基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，見(jiàn)圖5。

圖5　基礎(chǔ)模擬剛度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響

由圖5可知：樁基縱向剛度由0.5倍提高到8倍，墩底彎矩增加了11.9%，墩頂彎矩增加了1.21%，中跨跨中彎矩基本不變，邊跨跨中彎矩略有減小。

2.3橋墩尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響

利用Midas軟件建立全橋有限元模型進(jìn)行動(dòng)力分析，得到剛構(gòu)橋前4階的振型及自振頻率。

1）空心墩壁厚

選取方案1，不同橋墩壁厚時(shí)結(jié)構(gòu)自振頻率見(jiàn)表1。

表1　不同橋墩壁厚時(shí)結(jié)構(gòu)自振頻率Hz

2）空心橋墩縱向尺寸

選取方案2，不同橋墩縱向尺寸時(shí)橋墩自振頻率見(jiàn)表2。

3）空心橋墩橫向尺寸

選取方案3，不同橋墩橫向尺寸時(shí)橋墩自振頻率見(jiàn)表3。

表2　不同橋墩縱向尺寸時(shí)橋墩自振頻率Hz

表3　不同橋墩橫向尺寸時(shí)橋墩自振頻率Hz

分析表1—表3可知：

1）隨著空心墩壁厚的增大，前3階頻率均增加，橋梁剛度增大，其中第2階頻率增加了9.83%，第1階頻率增加了4.55%。

2）隨著橋墩縱向尺寸的增大，前3階頻率均增加，橋梁剛度增大，其中第2階頻率增加了3.55%，第1階頻率增加了9.36%。

3）隨著橋墩橫向尺寸的增大，前3階頻率均增加，橋梁剛度增大，其中第2階頻率增加了7.1%，第1階頻率增加了1.2%。

2.4基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響

以5#主墩為例，將基礎(chǔ)縱向剛度擴(kuò)大0.5，1，2，4，8倍，分析基礎(chǔ)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率的影響，見(jiàn)表4。由表4可知：基礎(chǔ)縱向剛度由0.5倍提高到8倍，縱向第一振型頻率提高了13.4%，對(duì)橫向頻率沒(méi)有影響；橫向剛度由0.5倍提高到8倍，橫向第一振型頻率提高了13.5%，對(duì)縱向頻率沒(méi)有影響。

表4　不同基礎(chǔ)剛度時(shí)結(jié)構(gòu)自振頻率Hz

3　結(jié)論

1）橋墩尺寸的增大引起墩頂、墩底彎矩的增加，對(duì)墩底彎矩的影響最大；增加壁厚和橋墩縱向尺寸對(duì)墩頂、墩底彎矩增加最明顯，但對(duì)梁體跨中彎矩影響甚微。對(duì)于高墩橋梁，由于空心墩縱向剛度相對(duì)較小，梁體受力特點(diǎn)趨向于連續(xù)梁，故改變橋墩尺寸對(duì)梁體受力影響很小。

2）橋墩尺寸的增大引起橋梁自振頻率的增加，橋梁縱、橫向剛度隨之變大。3個(gè)方案中增加壁厚對(duì)橫向自振頻率影響最大，增加橋墩橫向尺寸對(duì)其的影響次之；增加橋墩縱向尺寸對(duì)縱向自振頻率的提高最明顯。

3）基礎(chǔ)縱向剛度的增大，使墩底彎矩增加較多，其他截面受力變化很小；縱向剛度的增大，提高了縱向第一階振型頻率，對(duì)橫向頻率沒(méi)有影響；橫向剛度的增大提高了橫向第一階振型頻率，但對(duì)縱向頻率無(wú)影響。

4）增加壁厚對(duì)橫向剛度影響最大，但在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)中，空心墩壁厚及基底剛度調(diào)整幅度不會(huì)太大。通過(guò)調(diào)整壁厚及樁基剛度改變橋梁剛度的效果有限，所以主要依靠增大橋墩縱橫向尺寸來(lái)提高橋梁剛度。

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AbstractT aking the high piers long-span continuous rigid frame bridge design across the Irtysh River of the Altay-Fuyun railway as the engineering background，the influence of pier size and foundation stiffness on stress and free vibration performance of long-span continuous rigid frame bridge with high piers was analyzed.T he results show that the increase of pier size causes the bending moment at the top and bottom of the pier，but the influence of the bending moment is very little，and increasing the wall thickness of the pier is the greatest influence on the transverse natural frequency，the second is to increase the transverse dimension.With the increase of foundation stiffness，the bending moment at the bottom of bridge pier increases more，but the other cross sections is very little.

Analysis About Influence of Pier Size and Foundation Stiffness on Stress and Free Vibration Performance of Long-span Continuous Rigid Frame Bridge with High Piers

SHAN Chuanliang
（Xinjiang Railway Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

Long-span continuous rigid frame bridge；Pier size；Foundation stiffness；Free vibration performance；High pier

U448.23

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.04

1003-1995（2016）04-0013-04

（責(zé)任審編鄭冰）

2015-12-02；

2016-01-21

單傳亮（1981—），男，工程師，碩士。