谢锡康， 朱木青， 王　爽

(1.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015；　2.山东省水利勘测设计院， 山东 济南　250014)



高墩连续刚构桥不同影响因素的地震响应分析

谢锡康1， 朱木青1， 王爽2

(1.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015；2.山东省水利勘测设计院， 山东 济南250014)

以某连续刚构桥为背景，建立了考虑主梁-桥墩-桩基-土层的有限元模型，分析了地震荷载作用下桥墩高度、桥墩截面、双肢薄壁墩间距等影响因素对桥梁典型截面内力及变形的影响。结果表明：在桥墩高度为60～65 m范围内，中墩顺桥向剪力基本稳定，不再随桥墩高度的增加而递减；桥墩高度的增加增大了梁体脱落的风险，桥墩高度为100 m时梁体中跨跨中截面顺桥向与横桥向位移达到139.1，97.5 mm；从抗震角度分析，圆形截面桥墩对位移影响较大，空心矩形桥墩截面与实心矩形桥墩截面形式对墩顶内力的影响不大，故空心墩较节约材料；对于文中连续刚构桥，合理的双肢薄壁墩间距能有效降低墩顶受力与梁体位移，能有效提高地震作用下的安全系数。

桥梁工程； 连续刚构桥； 地震响应； 反应谱法

0　引言

由于墩梁固结，刚构桥省去了大跨连续梁桥的支座设计、制造、养护和更换，同时桥墩的厚度大大减小。其次，抗震性能好，墩的刚度较柔，允许有较大的变形[1-4]。通常连续刚构桥施工时采用悬臂施工法，省去了连续梁桥施工在体系转换时采用临时固结措施[5]。鉴于上述特点，连续刚构桥在山区应用非常广泛。

我国西南地区属山岭重丘区，山高谷深，地形复杂，地震较为多发。较多学者对大跨径刚构桥地震这一课题做了研究，文献[6]对某高墩大跨径弯连续刚构桥进行了线弹性设计参数地震反应分析；文献[7]对某主跨200 m的高墩连续刚构桥建立空间梁模型，进行多个地震动输入方向的弹塑性地震响应分析；文献[8]对某一高墩大跨径弯连续刚构桥进行了地震反应分析。但是均未对桥墩高度、截面形式、双肢薄壁墩间距等设计参数进行系统化分析。

本文在前人研究的基础上，通过对高墩连续刚构桥在不同桥墩高度、不同桥墩截面形式、不同双肢薄壁墩间距等设计参数在地震响应情况下进行分析，对横桥向、顺桥向地震加速度等作用下的结构受力与位移进行分析。

1　有限元分析模型

1.1单元选取

采用Midas-Civil有限元软件建立考虑主梁-桥墩-桩基-土层等构件的连续刚构桥模型，分析反应谱法地震作用下的桥梁特性。本次分析桥梁为变截面连续钢构桥，桥墩形式采用双肢薄壁，纵向长度为(84+160+84)m，桥面横向宽度为12.2 m。桥墩高度为54 m，桥墩截面形式为空心墩，截面形式如图1所示。双肢薄壁墩中心线间距为8 m，且1#～4#桥墩高墩高墩相等。

图1　工程概况示意图Figure 1　Schematic diagram of engineering survey

1.2设计参数选取

根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，本桥抗震设防烈度为8度，对应的水平向设计基本加速度峰值为A=0.2 g。场地为Ⅱ类，特征周期为0.35，场地系数1.0，抗震重要性系数1.7，选取结构阻尼比为5%。

EI地震作用对应反应谱水平和竖向加速度峰值分别按0.2 g和0.1 g波选取。

1.3反应谱法

反应谱法是目前桥梁结构抗震设计中广泛采用的方法。而选择合适的反应谱是获得桥梁结构地震真实反应的前提。

对于一个特定的地震波，其绝对加速度的反应谱曲线总是成锯齿状的，而且，一个反应谱总是相应一定的体系阻尼比的。因为地震波是随机的，所以，只有在大量的地震加速度记录输入绘制的众多反应谱曲线的基础上，经过光滑处理后，才可得到平均地震反应谱。

由于缺乏该地场地的地震加速度记录，故本研究参照有关文献[9]的水平设计地震动加速度反应谱，选择反应谱的输入方向为1.0倍顺桥向与1.0倍横桥向，本研究地震输入方式不考虑行波效应。

1.4设计模型

全桥主梁、桥墩与桩基均采用梁单元模拟，边界条件按照真实情况模拟，其中土弹簧刚度是基于我国《公路桥涵地基与基础设计规范》中间采用的“m法”计算得到，其基本原理是将桩作为弹性地基梁，桩侧土层按照Winkler假定，求解挠曲微分方程，再结合力的平衡条件，得出桩各部位的内力与位移。有限元模型如图2所示。

图2　考虑梁体-桥墩-桩基-土层的有限元模型Figure 2　Finite element model of beam bridge pier pile foundation

2　桥墩高度的影响

为了分析不同因素对连续刚构桥地震响应特性的影响，本文主要分析了桥墩高度、桥墩截面形式、双肢薄壁墩间距等因素。

2.1对自振特性的影响

通过梁体-墩墩-桩基-土层模型的计算，不同桥墩高度在自振作用下的不同阶次频率见表1。

由表1可知：在相同桥墩高度的情况下，随着自振阶次的增加，自振频率逐渐增大。在相同自振阶次情况下，自振频率随着桥墩高度增加而逐渐减小。在第一阶自振情况下，桥墩高度为15 m与100 m时的自振频率分别为0.89，0.11 Hz，这是由于桥墩增加，降低了桥梁整体结构的刚度。当设计时高墩时，应特别考虑结构抗震作用结构整体的刚度。

表1 不同阶次振型及频率Table1 Thedifferentordermodesandfrequencies阶次不同桥墩高度(m)时的自振频率/Hz153054658510010.890.540.290.210.140.1121.220.630.310.250.180.1531.270.720.410.320.240.2041.350.920.610.520.440.4051.431.151.040.940.850.6862.191.411.050.980.930.7172.432.081.761.390.970.7582.662.091.851.431.120.8492.762.351.931.871.161.01103.133.032.462.101.701.26

2.2对墩顶水平力的影响

为了更好的分析在地震荷载作用下桥墩高度对墩顶顺桥向剪力的影响，本文分析了桥墩高度分别为15，30，54，65，85，100 m时1#墩与2#墩的受力情况，墩顶剪力如图3所示。

图3　桥墩高度对顺桥向剪力的影响Figure 3　　　　Effect of bridge pier height on the shear force of the bridge

由图3可见：在地震荷载作用下，边墩顺桥向剪力随着桥墩高度的增大而逐渐增加，中墩顺桥向剪力随着桥墩高度的增大先减小后趋于稳定。在桥墩高度为60～65 m范围内，中墩顺桥向剪力基本稳定，不再随桥墩高度的增加而递减。

2.3对位移的影响

根据计算分析可得桥梁顺桥向位移相差不大，本文选取桥梁跨中位置这一典型截面顺桥向位移进行分析。桥墩高度对中跨跨中位置顺桥向位移如图4所示。

图4　桥墩高度对顺桥向位移的影响Figure 4　　　　Effect of bridge pier height on the displacement of the bridge

由图4可见：在地震荷载作用下，中跨跨中位置顺桥向位移随着桥墩高度的增大而逐渐增加，桥墩高度为15 m与100 m时，中跨跨中位置顺桥向位移分别为4.3，139 mm。

同时，本文也分析了地震作用下不同桥墩高度对梁体不同位置横向位移的影响。桥墩高度对横桥向位移的影响如图5所示。

图5　桥墩高度对横桥向位移的影响Figure 5　　　　Effect of the height of bridge pier on the transverse direction of the bridge

由图5可知：横桥向位移随着桥墩高度的增加而逐渐增大。当桥墩高度为15 m时，边墩位置、边跨跨中位置、中墩截面、中跨跨中截面位置处横桥向位移分别为1.5，1.9，1.9，4.4 mm。当桥墩高度增大至100 m时，边墩位置、边跨跨中位置、中墩截面、中跨跨中截面位置处横桥向位移分别为79.1，86.9，92.6，97.5 mm。

由此可见，桥墩高度的增加增大了梁体脱落的风险，设计高墩过程中应充分考虑到这一不利情况。

3　桥墩截面形式的影响

本文主要研究空心矩形墩、实心矩形墩、圆形墩等桥墩截面形式在地震作用下的地震响应。其中圆形截面与实心矩形截面面积相等。本文分析了桥墩截面形式对梁体变形与墩顶受力情况进行了分析。

3.1对变形的影响

跨中位置顺桥向与横桥向位移与桥墩截面形式的关系如图6所示。

图6　桥墩截面形式对跨中截面位移的影响Figure 6　　　　Effect of cross section form of bridge pier on cross section displacement

由图6可知：桥墩截面形式对梁体跨中截面位置顺桥向与横桥向位移影响较大，且矩形空心墩与矩形实心墩对梁体位移影响不明显。圆形截面桥墩横桥向位移为36.5 mm，明显大于空心矩形墩与实心矩形墩两种桥墩截面形式位移，数值分别为27.2，26.7 mm。但圆形截面桥墩顺桥向位移为9.5 mm，明显大于空心矩形墩与实心矩形墩两种桥墩截面形式位移，数值分别为23.1，23.3 mm。这是由于同等面积情况下的圆形与矩形，圆形截面在横桥向惯性矩小于矩形截面惯性矩，而顺桥向方向截面惯性矩大于矩形截面惯性矩，故导致两者位移相差较大。

3.2对墩顶内力的影响

由于连续刚构桥墩梁固结，墩顶内力对结构开裂影响较大。墩截面形式对中墩墩顶内力的影响如图7所示。

图7　桥墩截面形式对中墩墩顶内力的影响Figure 7　　　　Effect of pier section form on the internal force of pier top

由图7可知：实心墩截面中墩墩顶受力情况均大于其他两种截面形式，而空心墩截面弯矩Mz数值为3 620 kN·m，略大于圆形墩截面弯矩Mz，数值为3 329 kN·m。空心墩截面弯矩My为10 000 kN·m，略小于圆形墩截面弯矩，数值为10 278 kN·m。故分析可知，截面形式对墩顶内力的影响不大。

由上述分析可知，从抗震角度分析，与实心墩比较，空心墩与实心墩受力情况相差不大，故空心墩较节约材料。

4　双肢薄壁墩间距

本文分析了双肢薄壁墩间距对于梁体位移与墩顶内力的影响。双肢薄壁墩间距对于梁体中跨跨中截面横桥向与顺桥向位移的关系如图8所示。

图8　双肢薄壁墩间距对跨中截面位移的影响Figure 8　　　　Effect of the spacing of the double leg thin wall piers on the cross section displacement

由图8可知：跨中截面横桥向与顺桥向位移随着双肢薄壁墩间距的增大而先减小后增加。当双肢薄壁墩间距为8 m时，位移达到最小，顺桥向与横桥向位移数值分别23.1，27.2 mm。故高墩连续刚构桥设计时，适当调整双肢薄壁墩间距对于安全设计至关重要。

由图9可知：双肢薄壁墩间距对于墩顶内力的影响不太明显。墩顶弯矩My随着间距的增大先减小后增大。当间距为8 m时，墩顶弯矩My达到最小，数值为10 000 kN·m。

图9　双肢薄壁墩间距对墩顶内力的影响Figure 9　Effect of spacing on the internal force of pier top

综上可知，合理的双肢薄壁墩间距能有效降低墩顶受力与梁体位移，能有效提高地震作用下的安全系数。

5　结论

本文分析了在地震荷载作用下桥墩高度、桥墩截面、双肢薄壁墩间距对连续刚构桥梁体位移与墩顶内力的地震响应特征，得到的结论有：

① 在桥墩高度为60～65 m范围内，中墩顺桥向剪力基本稳定，不再随桥墩高度的增加而递减。同时，桥墩高度的增加增大了梁体变形破坏的风险，设计高墩过程中应充分考虑到这一不利情况。

② 从抗震角度分析，圆形截面桥墩对位移影响较大；空心矩形截面墩与实心矩形截面墩截面形式对墩顶内力的影响不大，故空心墩较节约材料。

③ 对于本文中连续刚构桥分析，双肢薄壁墩间距为8 m时，梁体位移与桥墩墩顶内力均达到最小，故合理的双肢薄壁墩间距能有效降低墩顶受力与梁体位移，能有效提高地震作用下的安全系数。

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Seismic Response Analysis of High Pier Continuous Rigid Frame Bridge with Different Influence Factors

XIE Xikang1， ZHU Muqing1， WANG Shuang2

(1.Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China；2.Shandong Province Water Conservancy， Survey & Design Institute， Jinan， Shandong 250014，China)

taking a continuous rigid frame bridge as the background，The finite element model of the main girder bridge pier pile foundation is established，The influence factors on the internal force and deformation of the bridge are analyzed，and the influence factors such as the height of bridge pier，the section of bridge pier，the distance between the piers and the piers of the bridge are analyzed.The results show that：in the 60～65 m range of bridge pier height，the bridge to the bridge is basically stable，and no longer decreases with the increase of the height of the pier；Increase of pier height increases the risk of peeling off the beam body，pier height of 100 m beam write cross section along the bridge to cross the bridge and to the displacement reached 139.1，97.5 mm；From the point of view of seismic resistance，the influence of circular section bridge piers on displacement is larger，the effect of hollow rectangular pier section and solid rectangular pier section on the internal force of pier is small，so the hollow pier is more economical；For the continuous rigid frame bridge，the reasonable distance between the double piers and thin wall piers can effectively reduce the force and displacement of the pier top，and can effectively improve the safety factor of the seismic action.

bridge engineering； continuous rigid frame bridge； seismic response； response spectrum method

2016 — 07 — 10

谢锡康(1983 — )，男，湖南冷水江人，工程师，主要从事公路、桥梁检测试验与研究工作。

U 448.23

A

1674 — 0610(2016)04 — 0261 — 04