系梁設(shè)置對雙肢薄壁墩抗震性能影響的探討

黃超

摘 要：本文以某高速公路高墩連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^建模分析了主橋雙薄壁墩在系梁的不同設(shè)置情況下結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，給出此類橋梁結(jié)構(gòu)主墩合理的系梁布置方式和抗震設(shè)計(jì)建議。

關(guān)鍵詞：曲線連續(xù)剛構(gòu)橋;系梁;抗震設(shè)計(jì)

中圖分類號：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來，隨著國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的迅速發(fā)展和規(guī)模不斷擴(kuò)大，橋梁建設(shè)行業(yè)在設(shè)計(jì)方面也有著豐富的經(jīng)驗(yàn)積累，且我國地域遼闊，尤其是西北、西南片區(qū)地形地勢非常復(fù)雜，在高速公路跨越大峽谷、深溝時(shí)時(shí)常需布設(shè)跨徑較大的連續(xù)剛構(gòu)橋跨越，這也使橋梁的在高墩大跨方面發(fā)展迅猛。目前我們在進(jìn)行這種高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的主墩設(shè)計(jì)時(shí)采用雙肢薄壁墩形式的情況較為常見，且此類橋墩往往墩高超過40 m，屬于非常規(guī)橋墩結(jié)構(gòu)。然而我們橋梁設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行對此類橋的抗震設(shè)計(jì)時(shí)常常側(cè)重點(diǎn)在主墩的一般構(gòu)造、配筋及延性設(shè)計(jì)方面，對雙肢薄壁墩橋墩系梁的合理設(shè)計(jì)往往容易忽略，且現(xiàn)行規(guī)范僅僅是對墩高低于40 m的橋梁的橋墩抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)要求，對于這種非規(guī)則高墩的抗震設(shè)計(jì)也未給出明確要求，如類似這種雙肢薄壁墩的系梁設(shè)置情況，因此本文就此方面展開研究，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，給出此類橋梁結(jié)構(gòu)主墩合理的系梁布置方式和抗震設(shè)計(jì)建議，希望能夠給橋梁設(shè)計(jì)人員以后進(jìn)行類似橋梁設(shè)計(jì)時(shí)以參考。

1 工程概況

本文所計(jì)算橋梁為某云南省高速公路上為跨越山間大溝而布設(shè)的連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋部分線位位于圓曲線上（曲線半徑1 050 m），其主橋部分跨徑組合為（50+90+50）m。主梁截面為單箱雙室直腹板截面，梁高及底板厚度則采用常規(guī)的二次拋物線變化。主梁橋面寬1 275 cm，支點(diǎn)處梁高為550 cm，合攏段梁高為260 cm。主橋雙肢薄壁墩的兩肢之間布置系梁，墩高分別為75 m和66.5 m。橋位所處地區(qū)的地震基本烈度為7度，本項(xiàng)目此橋按8度設(shè)防。

2 有限元分析

本橋采用midas civil進(jìn)行建模計(jì)算，樁基礎(chǔ)與樁周土之間的邊界條件在程序中通過土彈簧進(jìn)行模擬，主墩與箱梁0號塊之間的模擬采用程序中的彈性連接（剛性）。

樁基礎(chǔ)由于受到下部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載作用會(huì)有側(cè)向位移的趨勢，從而對周圍土體有一個(gè)側(cè)向擠壓力，同時(shí)土體則對樁基產(chǎn)生反向抗力，此處分析時(shí)將每層土體假設(shè)為理想彈性體，即受外部作用后其形變是線性的。這里我們根據(jù)E.Winkler對土抗力與其壓縮形變量成正比的假設(shè)來計(jì)算各土層的剛度，則每個(gè)土層水平抗力滿足下式：

3 系梁布置影響

本模型分別建立八種模型進(jìn)行分析，即：無系梁、1道系梁、2道系梁、3道系梁，系梁均沿橋墩均勻布置，每種情況按兩種邊界條件考慮：墩底固結(jié)和樁-土之間土彈簧。

3.1 自振特性分析

結(jié)構(gòu)前幾階振型是結(jié)構(gòu)在受外部作用下較為容易出現(xiàn)的基本振型，它體現(xiàn)結(jié)構(gòu)在地震作用下反應(yīng)基本情況，此處給出本橋特征值分析的前8階動(dòng)力特性結(jié)果進(jìn)行分析，主橋模型在不同曲率半徑和邊界條件下的動(dòng)力特性分析結(jié)果情況如表1和表2所示。

從表1～2可以看出：

（1）從上表前8階振型數(shù)據(jù)可以看出，系梁布置變化對結(jié)構(gòu)的振動(dòng)型式有一定影響。對于墩底固結(jié)模型，有無布置系梁對高階（五階之后）振型影響較大，但布置系梁后振型對系梁布置道數(shù)并不敏感，其振型基本相近;對于樁土作用模型，不設(shè)置系梁和設(shè)置1道系梁結(jié)構(gòu)的振型基本相近，設(shè)置2道系梁和設(shè)置3道系梁結(jié)構(gòu)的振型相近。

（2）從不布置柱間系梁到布置3道系梁過程中，對于墩底固結(jié)模型，其一階振動(dòng)頻率從0.262 Hz增加到0.5 Hz;對于樁土作用模型，其一階縱向振動(dòng)頻率由0.252 Hz增加到0.388 Hz，說明系梁的設(shè)置增加了橋墩的剛度。

（3）與墩底固結(jié)模型相比，考慮樁土作用后，各模型的基頻均有所減小。

3.2 地震響應(yīng)分析

3.2.1 縱向地震響應(yīng)分析

在縱向激勵(lì)下，不同系梁設(shè)置的情況引起橋墩地震響應(yīng)的內(nèi)力和位移的變化如圖1～圖4。

根據(jù)以上內(nèi)力、位移計(jì)算結(jié)果，可分析得以下結(jié)果：

（1）對于墩底縱向彎矩，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩底縱向彎矩增加了14.4%?？紤]樁土作用時(shí)，墩底縱向彎矩隨系梁的增設(shè)而增加了6.5%。

（2）對于墩底剪力，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩底剪力增加了30.2%。而考慮樁土作用后，隨系梁設(shè)置道數(shù)的增加墩底縱向剪力增加了33.7%。

（3）對于墩底軸力，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩底軸力增加了45%?？紤]樁-土相互作用后，墩底軸力隨系梁設(shè)置道數(shù)的增加而增加了64.5%，軸力變化較為顯著。

（4）對于墩底位移，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩頂縱向位移減小了47.2%。考慮樁土作用后，墩頂?shù)目v向位移值隨系梁的增設(shè)而增加了29.3%。

由以上橋墩內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果可以看出：對于兩種邊界條件下的計(jì)算模型，橋墩在縱向地震下的響應(yīng)對系梁的設(shè)置道數(shù)較為敏感，隨著系梁的設(shè)置數(shù)量的增加，橋墩的彎矩、剪力及軸力均有不同程度的增加，而位移有所變小。

3.2.2 橫向地震響應(yīng)分析

在橫向激勵(lì)下，不同系梁設(shè)置的情況引起橋墩地震響應(yīng)的內(nèi)力和位移的變化如圖5～圖8：

根據(jù)以上內(nèi)力、位移計(jì)算結(jié)果，可分析得以下結(jié)果：

（1）對于墩底橫向彎矩，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩底橫向彎矩隨之增加了3.1%。考慮樁-土相互作用后，墩底橫向彎矩隨系梁設(shè)置道數(shù)的增加而增加了3.5%，變化并不明顯。

（2）對墩底剪力來說，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩底剪力增加了9.5%。在考慮樁-土相互作用后，隨著系梁設(shè)置道數(shù)的增加墩底剪力增加了9.7%。

（3）對墩底軸力來說，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩底軸力增加了42.3%。在考慮樁-土相互作用后，隨著系梁設(shè)置道數(shù)的增加而墩底軸力增加35.1%，軸力變化較為明顯。

（4）對墩底位移來說，墩底固結(jié)時(shí)，在系梁設(shè)置道數(shù)增加情況下墩頂?shù)臋M橋向位移減小了1.26%?？紤]樁-土相互作用后，墩頂?shù)臋M橋向位移隨著系梁設(shè)置道數(shù)的減小了1.8%，位移變化很小，說明系梁的設(shè)置對橫向剛度影響較小。

綜合上述分析結(jié)果可以得出：對于基礎(chǔ)邊界條件為墩底固結(jié)和考慮樁土之間相互作用的兩種情形，沿橋墩均布的系梁數(shù)量變化對橋墩在縱向地震作用下的內(nèi)力、位移結(jié)果影響較大，即隨著柱間均布系梁數(shù)量的增加，主墩的內(nèi)力（彎矩、剪力及軸力）增大較為明顯，而墩頂位移有所降低;在橫橋向地震作用下，考慮墩底固結(jié)和考慮樁-土相互作用兩種情況時(shí)，隨著設(shè)置系梁數(shù)量的增加，橋墩的內(nèi)力和位移前后變化均較小，內(nèi)力最大增幅也未超過10%，僅軸力變化較大，如墩底固結(jié)時(shí)，隨著系梁設(shè)置道數(shù)的增加墩底軸力的增幅最大達(dá)42.3%。

4 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析及地震荷載作用下墩底內(nèi)力和墩頂位移的計(jì)算可知：

（1）隨著這種雙支薄壁墩的主墩系梁設(shè)置道數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)自振頻率增大，這表明系梁的增加會(huì)增加結(jié)構(gòu)的整體剛度，且橋梁剛度的增加對高墩高階振型的影響較為明顯。根據(jù)主墩內(nèi)力及位移計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主墩在縱向橋地震激勵(lì)下的內(nèi)力增加較為明顯，橫橋向除軸力外變化并不明顯，說明系梁設(shè)置的增加對結(jié)構(gòu)的縱向剛度的增加較為明顯，對其橫向剛度增加的貢獻(xiàn)有限，對軸力影響較大。

（2）鑒于主墩系梁設(shè)置的數(shù)量對縱向地震下主墩內(nèi)力影響較大，建議我們在進(jìn)行橋墩抗震設(shè)計(jì)時(shí)對于系梁的布置應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注縱向地震的橋墩內(nèi)力變化，綜合考慮系梁設(shè)置對結(jié)構(gòu)的有利和不利影響，采用合適的系梁設(shè)置數(shù)量、設(shè)置位置及系梁剛度，充分利用系梁的有利影響，降低其對結(jié)構(gòu)的不利影響，如橋墩抗剪、抗彎等，在滿足橋墩抗震要求情況下，可適當(dāng)減少系梁設(shè)置。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘭燕.橋墩造型及其抗震性能研究[D].西安：長安大學(xué)，2005.

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