姚 广

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概况

运宝黄河大桥主桥跨径为110 m+200 m×2+110 m 钢腹板矮塔斜拉桥，采用塔、梁、墩固结体系，既避免了大吨位支座的情况，又增加了桥梁的整体抗震性能；最大墩高为45 m，由于墩身相对不高，而主桥跨径相对较大，桥梁结构本身对温度反应敏感，因此，主桥桥墩在整体升降温荷载作用下，桥墩受力偏为不利，如何合理设计桥墩断面型式成为桥梁设计的一个难点。本文通过利用大型有限元结构分析软件建立主桥分析模型，分析在各不同工况下桥墩的不利状态，分析不同桥墩断面形式下桥墩受力特点，同时经过优化后的桥墩进行主桥抗震分析，为桥梁设计提供理论依据。

图1 桥型布置图（单位：cm）

2 桥墩纵向断面方案

运宝黄河大桥主桥址处于国家湿地自然保护区，为满足黄委会关于主梁主跨大跨径布置的要求，并充分考虑主桥桥墩相对较矮的不利状况，大桥主梁采用波形钢腹板断面[1]，以减少上部结构自重；主梁采用塔梁墩固结体系，桥墩在整体升降温和地震力作用下，桥墩受力相对不利，因此，如何优化桥墩纵向刚度是桥墩设计的一个难点；同时，考虑运宝黄河大桥防冰凌需求，在设计时考虑降低桥墩纵向刚度，采用了变截面设计和双薄壁墩两种方案[2]。

a）方案一 考虑运宝黄河大桥冬季冰凌对大桥的影响，桥墩纵向设计采用抬高双薄壁墩实心段高度，高出防凌水位1 m，同时考虑，实心段刚度相对薄壁墩较大，桥墩纵向采用变截面设计，坡率按1∶50 向下收窄桥墩断面，桥墩在承台处纵向宽度为8.2 m。

b）方案二 桥墩采用双薄壁实心墩，壁厚2.2 m，纵向总宽9.0 m，为尽量减小桥墩纵向刚度，横桥向桥墩中间部分挖空，壁宽7.5 m，横向总宽23 m，横向设防冰凌分水尖。

3 桥墩纵向断面优化

大桥采用大型有限元分析软件建立桥梁有限元模型，主梁共205 个单元，拉索78 个单元，桥塔48个单元，桥墩按方案一、方案二分别建立有限元模型；计算桥墩在整体升温25 ℃，降温30 ℃下分析主桥桥墩（Z2～Z4）墩底内力（弯矩/竖向力）。

表1 不同方案下主桥主墩墩底内力对比

图2 方案一有限元单元模型

图3 方案二有限元单元模型

经桥墩内力对比分析，方案一墩底截面按双层均布布置，裂缝计算宽度为0.28 mm，需进行桥墩竖向预应力设计，增加设计复杂性，为考虑大桥整体耐久性，同时经对比分析方案二桥墩受力，能够满足双层φ28 均布布置裂缝宽度小于等于0.20 mm 的要求，不需配置竖向预应力钢束。最终运宝黄河大桥主桥桥墩采用双薄壁实心断面形式，图4 为经优化过的主桥桥墩断面形式。

图4 优化后桥墩断面

4 抗震分析

桥墩断面优化后，建立主桥有限元抗震分析模型，按《公路桥梁抗震设计细则》中A 类桥梁对运宝黄河大桥进行抗震性能分析，采用50 年超越概率10%作为E1 地震作用和50 年超越概率2%作为E2 地震作用两种地震动水平进行抗震设防计算；表2 为运宝黄河大桥前10 阶主要振型周期。

表2 运宝黄河大桥动力特性

为分析在地震力作用下桥墩的抗震性能，E1 地震作用下，结构校核目标是桥墩在弹性范围内工作，其地震反应小于初始屈服弯矩；E2 地震作用下，结构校核目标是桥墩截面允许进入屈服状态，在进行强度验算时，根据在恒载和地震作用下的轴力组合对主桥各桥墩、索塔最不利控制截面进行M-φ 分析，得出各控制截面的初始屈服弯矩和等效屈服弯矩，进行结构的抗震性能验算。

表3 E1 地震作用下桥墩各关键截面抗震验算结果

表4 E2 地震作用下桥墩各关键截面抗震验算结果

经分析，在地震水平I 作用下，桥塔、墩柱截面其在地震作用下的截面弯矩均小于截面初始屈服弯矩（考虑轴力）My。由于My为截面最外层钢筋首次屈服时对应的初始屈服弯矩，因此当地震反应弯矩小于初始屈服弯矩时，整个截面保持在弹性，结构基本无损伤。在地震水平Ⅱ作用下，桥塔、墩柱截面其在地震作用下的截面弯矩应小于截面等效抗弯屈服弯矩Meq（考虑轴力）。实际上，在地震过程中，对应于等效抗弯屈服弯矩Meq，由于地震过程的持续时间比较短，地震后，由于结构自重，地震过程开展的裂缝一般可以闭合，不影响使用，满足地震水平Ⅱ作用下局部发生可修复的损伤，地震发生后，基本不影响车辆通行的性能要求。

5 结论

通过优化运宝黄河大桥主桥桥墩断面形式，使得桥梁在静力和抗震分析中受力均能得到改善；大桥采用塔梁墩固结体系，桥墩纵向采用双薄壁实心墩，在地震力作用下，利用双薄壁墩纵向刚度小的优点，使得地震效应减小，同时充分利用波形钢腹板减重以减轻地震作用带来的不利影响，达到满足规范设计的要求, 本桥墩优化设计对大跨矮墩的设计有一定借鉴作用。