大跨度连续刚构桥地震作用影响因素分析

2021-01-08邹德强李伟东

工程技术研究 2020年23期

刘瑶，邹德强，李伟东

（中国建筑第五工程局有限公司，湖南长沙 410004）

鉴于连续刚构桥具有主梁连续、墩梁固结、无需体系转换的特点，同时顺桥向抗弯刚度和横桥向抗扭刚度能很好地满足较大跨径的受力要求，因此连续刚构桥在山区应用非常广泛。

我国西南地区为地震频发区域，国内学者也做了很多研究，但主要在地震反应谱响应分析、减隔震分析、行波效应分析等方面，基于桥墩特性等因素对桥梁结构进行抗震设计比较的研究还不多。文章在前人研究的基础上，分析大跨度连续刚构桥在不同桥墩高度及截面特性条件下对横桥向、顺桥向地震响应。

1 有限元分析模型

1.1 工程概况

某项目桥梁跨越山谷，大跨度连续刚构桥跨径为（86+170+86）m，1#、2#桥墩高度为80m，采用双肢薄壁空心截面，薄壁墩中心线间距为8m，桥墩外部尺寸为3m×8.5m，壁厚0.7m。桥墩基础下方采用整体式承台+桩基础，桥面横向宽度为12.25m。桥梁立面图如图1所示。

1.2 设计模型

采用Midas Civil 2019有限元软件，建立考虑梁-墩-桩-土等构件的连续刚构桥模型，全桥主梁、桥墩与桩基均采用梁单元模拟，梁与墩采用刚性连接，桩基与土体采用土弹簧进行模拟，弹簧刚度根据m法进行计算取值。结构设计的有限元模型如图2所示。

1.3 地震加速度

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008），项目所处位置抗震设防烈度为8度，水平向设计基本加速度峰值A=0.2g。

研究选择反应谱的输入方向为1倍顺桥向与1倍横桥向，文章计算地震输入方式不考虑行波效应。

图1 桥梁立面图（单位：cm）

图2 考虑梁-墩-桩-土的有限元模型

2 墩高对桥梁受力影响

2.1 对主梁弯矩影响分析

假定1#、2#桥墩等高，不同高度桥墩对主梁弯矩的受力影响情况如图3所示。

图3 桥墩高度对主梁弯矩的影响

相同桥墩高度条件下，主梁最大弯矩发生在1#和2#桥墩靠边跨侧薄壁墩墩顶位置，数值约为内侧薄壁墩位置的2倍。随着桥墩高度的增加，主梁的墩顶弯矩显著增加。桥墩高度分别为15m和100m时，主梁最大弯矩之比为1∶4.1。设计大跨度连续刚构桥高墩时，应对中墩靠边跨位置处主梁采取加强措施，防止开裂。

2.2 对桥墩弯矩的影响

地震作用下，桥墩最大弯矩发生在墩顶，最小弯矩发生在墩底以上约1/2的位置。

不同桥墩高度（H=15m、30m、45m、65m、80m、100m）情况下，薄壁墩受到地震作用产生的最大弯矩和最小弯矩如图4所示。

图4 墩高对桥墩弯矩的影响

由图4可知，桥墩弯矩随桥墩高度的增大而增加；桥墩高度H为100m与15m时，桥墩弯矩之比为4.2∶1。这主要是因为墩梁固结、下部桩基与桥墩固结，桥墩上下均为固结状态，桥墩越高，地震水平作用荷载越大，导致桥墩两侧弯矩加大。

2.3 对桥墩剪力的影响

据计算，H=15m、30m、45m、65m、80m、100m时，桥墩高度对应墩底剪力分别为324.4kN、296.3kN、252.8kN、250kN、248.6kN、252kN。这说明桥墩高度在45m以下时，墩底剪力随着墩高增加而减小；当增加至45m以上时，墩底剪力基本趋于平稳，不再随墩高变化而变化。