蔣軍宜

(中山市東部外環(huán)高速公路有限公司，廣東 中山 528403)

1 工程概況

本工程實例為廣東省中山東部外環(huán)高速北延線工程的桂州水道橋，地處佛山市、中山市交界處。該橋梁直腹板變梁高預應力混凝土連續(xù)箱梁，主橋長330 m，跨徑組合為(90+150+90)m。主梁采用單箱雙室截面變梁高箱梁，主墩墩頂梁高9.0 m，跨中梁高為3.5 m，頂寬20.5 m，底寬13.5 m，懸臂根部厚度為0.75 m，端部厚0.18 m，頂板厚度0.30 m，主梁按全預應力混凝土構(gòu)件進行設(shè)計。

2 樁土效應對橋梁結(jié)構(gòu)動力特性影響分析

為了探究樁土效應對大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋動力特性的影響，論文選取樁土效應與樁底固結(jié)的模型分別計算，并從結(jié)構(gòu)的自振特性和地震響應出發(fā)，探究樁土效應對結(jié)構(gòu)動力特性影響。

2.1 樁土效應對橋梁結(jié)構(gòu)自振特性的影響

以考慮樁土效應和墩底固結(jié)的模型來計算橋梁的自振頻率及振型形狀，提取前10階振型下的結(jié)果，如表1所示。

由表1可知，考慮樁土作用和墩底固結(jié)的模型在振型形狀上的相似性很大，振動均是橋面振動。在前10階振型下，兩者的振型形狀一致，證明樁土效應對結(jié)構(gòu)振型形狀影響不大。但觀察對比兩個模型的自振頻率可以發(fā)現(xiàn)，墩底固結(jié)模型的頻率要比考慮樁土作用模型的頻率大，且隨著振型階數(shù)的提高，這種增大的效果越明顯，如第1階振型下，墩底固結(jié)的模型的頻率要比考慮樁土作用的模型的頻率大15%，而到了第10階振型時，這種增大的效果達到了40%。這是因為模型是通過設(shè)置土彈簧來模擬樁土效應的，土彈簧的設(shè)置將會增大橋梁結(jié)構(gòu)的柔度，使得結(jié)構(gòu)的周期變長，頻率變小，而且隨著樁長的變長，土彈簧的設(shè)置也越多，對結(jié)構(gòu)的動力特性影響就越大。因此當橋梁的樁長較長時，不能忽略樁土效應的影響。

表1 自振特性對比

2.2 樁土效應對橋墩地震響應的影響

除了結(jié)構(gòu)的自振特性，設(shè)計師們在設(shè)計連續(xù)剛構(gòu)橋時更關(guān)注的是結(jié)構(gòu)的地震響應，由于本項目設(shè)計的控制加載為E2地震加載，故以下地震響應的計算均采用E2地震加載，分別計算考慮樁土效應和墩底固結(jié)的模型，具體計算結(jié)果如表2、表3示。

表3 橋墩單元地震響應結(jié)果對比(橫向)

由上表可知，考慮樁土效應的模型的軸力相對于墩底固結(jié)的模型的軸力要稍大，而彎矩則相對要小，其中墩頂彎矩差距較小。如在縱向和橫向地震作用的情況下，考慮樁土作用后墩頂彎矩分別僅減小了約12%和24%，而墩底彎矩差距則較大，如在縱向和橫向地震作用的情況下，考慮樁土作用后墩底彎矩分別減小了約128%和101%。

總的來說，考慮樁土效應后，會使橋墩的軸力稍有增大，而大幅度減少彎矩的大小，這在結(jié)構(gòu)的設(shè)計中是有利的。雖然考慮樁土效應后會增大結(jié)構(gòu)的柔性，使結(jié)構(gòu)的位移增加，且內(nèi)力會更加復雜，但若不考慮樁土效應而直接采用墩底固結(jié)模型，此時的計算結(jié)果將會過于保守，造成結(jié)構(gòu)尺寸偏大、鋼筋用量過多等不合理現(xiàn)象，從而造成工程造價大量提高，資源浪費。因此在設(shè)計中按照規(guī)范要求考慮樁土效應的影響才是合理的。

3 水深對橋梁結(jié)構(gòu)動力特性影響分析

實際工程中，當橋梁的樁基礎(chǔ)或墩柱位于水體中時，其水位并不是恒定的，當水位變化時，結(jié)構(gòu)的動力特性將會相應產(chǎn)生變化。為了探究水深對高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的動力特性影響，論文設(shè)計了6組對比模型，以5 m水深為間隔，水深從0 m增大到30 m水深，研究不同在水深下，連續(xù)剛構(gòu)橋的動力特性變化。

3.1 水深對結(jié)構(gòu)自振特性影響

結(jié)構(gòu)的自振特性是結(jié)構(gòu)的動力特性的重要組成部分，因此論文首先從結(jié)構(gòu)的自振特性出發(fā)，利用Morison方程法考慮動水壓力，研究水深對結(jié)構(gòu)自振特性的影響。下圖給出了在不同水深下，在縱向地震力作用下，通過計算得出結(jié)構(gòu)的前三階自振頻率。

由圖1～圖3可知，隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，當無水時(即水深為0 m)，計算得出的前三階結(jié)構(gòu)自振頻率分別為1.69 Hz、11.91 Hz、17.31 Hz，而當水的深度增大到30 m時，結(jié)構(gòu)的前三階頻率分別下降到了1.6 Hz、10.46 Hz、14.22 Hz，相對于無水時(即水深為0 m)的狀態(tài)，分別下降了5.3%、12.2%、17.9%。這個現(xiàn)象說明水體將會增大結(jié)構(gòu)的自振周期，且隨著深度的增加，這種增大的效應將會越大，且結(jié)構(gòu)自身的振型階數(shù)越大，該增大效應會越明顯。

圖1 第一階頻率隨水深分布圖(自繪)

圖2 第二階頻率隨水深分布(自繪)

圖3 第三階頻率隨水深分布(自繪)

3.2 水深對橋墩地震響應分布的影響

橋墩在地震作用下的響應是橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性之一，為了研究不同水深作用下，橋墩地震響應分布的變化，以下將計算水深分別為5 m、25 m、30 m的橋墩，在縱向地震力作用下的彎矩分布，論文采用E2加載，繪制彎矩分布圖如圖4～圖6所示。

圖4 5 m水深彎矩分布(自繪)

圖5 25 m水深彎矩分布(自繪)

圖6 30 m水深彎矩分布(自繪)

由圖可知，在不同水深作用下，橋墩的彎矩分布規(guī)律比較一致，呈現(xiàn)出：墩頂處彎矩最小，在墩底處彎矩達到最大值的規(guī)律。將不同水深下的彎矩分布曲線與無水時(即水深為0 m)的彎矩分布曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，當水深為5 m時，兩者曲線基本重合，此時水體對結(jié)構(gòu)的地震響應影響不明顯；當水深增大到25 m時，此時結(jié)構(gòu)的墩底彎矩為180 mN·m，相對于無水時的墩底彎矩(163 mN·m)增大了約10%；當水深繼續(xù)增大到30 m時，此時結(jié)構(gòu)的墩底彎矩為200 mN·m，相對于無水時的墩底彎矩增大了23%。這個現(xiàn)象說明，水體會增大結(jié)構(gòu)的地震響應，且隨著水深的增加，這種增大的效應會越明顯且幅度越大。因此當水深較深時，不能忽略水體的影響。

4 橋墩形式對橋梁結(jié)構(gòu)動力特性影響分析

在高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計中，墩身的縱向以及橫向剛度對橋梁的結(jié)構(gòu)受力具有決定性的作用。當墩身的縱橫向剛度過大時，橋墩在墩頂處將會承擔過多的負彎矩，使得主梁的抗彎性能無法發(fā)揮；而當橋墩的縱橫向剛度過小時，主梁在不平衡外力作用下容易產(chǎn)生扭曲以及變位。除此以外，在連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計中還要求橋墩具備足夠的抗彎和抗扭剛度，以適應在懸臂施工過程中產(chǎn)生的不平衡力矩。

4.1 橋墩形式對結(jié)構(gòu)自振特性的影響

為了探究墩身形式對結(jié)構(gòu)動力特性的影響，以下將設(shè)置兩種墩身截面形式，一是單薄壁空心墩(實際工程中所用墩身形式)，二是雙薄壁空心墩。保持其他參數(shù)不變，分別計算單薄壁墩模型和雙薄壁墩模型的自振特性，分別提取兩個模型的前十階自振頻率和振型形狀，如表4所示。

表4 自振特性對比

由表4可知，單薄壁空心墩自振頻率比雙薄壁空心墩要大，證明采用單薄壁空心墩的剛度比雙薄壁空心墩大。兩者的振型形狀在前4階內(nèi)一致，但從第5階開始，雙薄壁空心墩模型的橋墩開始出現(xiàn)擺動，而單薄壁空心橋墩的模型自始至終并未出現(xiàn)橋墩的擺動，其振動均出現(xiàn)在橋面上。在前10階振型中，雙薄壁空心墩模型的橋墩擺動占了30%，故在地震襲擊時橋墩仍有可能會產(chǎn)生彎曲破壞或者屈曲破壞。而單薄壁空心墩由于具有足夠的剛度，可以將振動限制在橋面上，理論上可以減少橋墩彎曲破壞或者屈曲破壞的可能性，從而保證橋梁的抗震性能。

4.2 橋墩形式對地震響應的影響

本項目在采用E2地震加載方式下計算單薄壁和雙薄壁空心墩的地震響應結(jié)果如表5、表6所示。

表5 結(jié)構(gòu)地震響應對比(縱向)

表6 結(jié)構(gòu)地震響應對比(橫向)

由表5、表6中數(shù)據(jù)可知，在順橋向E2地震作用下，雙薄壁橋墩的內(nèi)肢墩的內(nèi)力要稍大于外肢墩內(nèi)力，且雙薄壁墩內(nèi)外兩肢墩的剪力和彎矩之和要小于單薄壁空心墩的剪力和彎矩，如在墩頂處，采用雙薄壁空心墩的模型可以使彎矩和剪力減少約20%，墩底處則可以減少約15%，證明采用雙薄壁空心墩可以有效減小結(jié)構(gòu)順橋向的地震響應。

對于橫橋向E2地震作用下，與順橋向地震類似，雙薄壁橋墩的內(nèi)肢墩的內(nèi)力也要稍大于外肢墩內(nèi)力，但不同的是，雙薄壁橋墩模型的內(nèi)外兩肢墩的剪力和彎矩之和與單薄壁空心墩模型的剪力和彎矩相差并不大，如在墩頂處，采用雙薄壁空心墩的模型僅使彎矩和剪力減少約2%，墩底處則僅為1%，基本可認為采用雙薄壁墩對改善橫向地震響應無明顯作用。

5 結(jié) 論

(1)樁土效應對橋梁結(jié)構(gòu)振型形狀影響不大，但墩底固結(jié)模型的頻率要比考慮樁土作用模型的頻率大，且隨著振型階數(shù)的提高，這種增大的效果越明顯；

(2)隨著水深的增加，橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率將減小，地震響應增大效應也越明顯；

(3)單薄壁空心墩抗彎曲破壞或屈曲破壞的抗震性能要優(yōu)于雙薄壁空心墩；在E2地震作用下，雙薄壁空心墩可以有效減小結(jié)構(gòu)順橋向的地震響應，但對改善結(jié)構(gòu)橫向地震響應無明顯作用。