橋墩尺寸及基礎剛度對高墩大跨連續剛構橋受力及自振特性的影響分析

單傳亮

（中鐵一院集團新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

橋墩尺寸及基礎剛度對高墩大跨連續剛構橋受力及自振特性的影響分析

單傳亮

（中鐵一院集團新疆鐵道勘察設計院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

以阿富準鐵路額爾齊斯河高墩大跨連續剛構橋的設計為工程背景，研究了橋墩尺寸和基礎剛度對高墩大跨度連續剛構橋受力及自振特性的影響。結果表明:橋墩尺寸的增大引起墩頂、墩底彎矩的增加，但對梁體跨中彎矩影響很小；增加橋墩壁厚對橫向自振頻率影響最大，增加橋墩橫向尺寸對其的影響次之；隨著基底模擬剛度的增大，墩底彎矩增加較多，而其他截面受力變化很小。

大跨連續剛構橋；橋墩尺寸；基礎剛度；自振特性；高墩

1　工程概況

1.1主橋概況

額爾齊斯河特大橋位于新疆阿勒泰地區富蘊縣境內，是新建阿勒泰至富蘊鐵路的控制性工程之一。該橋為跨越額爾齊斯河而建，橋梁全長592.81m，位于直線、緩和曲線及半徑3000m的圓曲線上。主橋采用（60.75+100+60.75）m連續剛構，兩個主墩高63m，場址地震動峰值加速度0.23g，地震基本烈度8度，主橋立面布置見圖1。

圖1　主橋立面布置（單位：m）

1.2箱梁構造

梁體采用單箱單室變高度直腹板箱形截面，中支點處梁高7.5m，跨中及邊墩現澆段梁高4.6m，梁底曲線為二次拋物線，拋物線方程為y=0.0001432x2。箱梁頂寬7.5m，底寬5.0m，中支點處梁底局部加寬至7.0m。箱梁頂板厚0.4m，底板厚0.5～1.0m，腹板厚0.45～0.80m。箱梁在中墩及邊墩墩頂設置橫隔墻，中墩頂設2道橫隔墻，厚度均為1.5m。

1.3下部構造

剛構部分5#，6#主墩采用矩形空心墩，兩墩墩頂處空心段壁厚1m，墩頂及墩底分別設置3，5m的實體段。基礎采用16根1.8m的樁基礎，樁間距縱向4m，橫向6m，邊墩采用圓端形空心墩。

2　大跨連續剛構橋梁受力特點

剛構橋由于墩梁固結，受力較連續梁復雜。橋墩尺寸決定了橋墩的縱、橫向剛度，主墩的縱向剛度越大，所受縱向力也越大。墩梁的相對剛度還決定了墩梁之間的內力分布。另外，高墩大跨度剛構橋梁必須有足夠大的橫向剛度以滿足橫向墩頂位移和行車安全的要求，但本橋地震烈度高，增大橫向剛度會引起地震力的大幅增加。橋梁的自振特性是橋梁剛度和抗震分析的重要參數。針對以上特點，結合額爾齊斯河特大橋工程實例，分析橋墩尺寸及基礎剛度對高墩大跨度連續剛構橋受力及自振特性的影響。

2.1橋墩尺寸對結構受力的影響

額爾齊斯河特大橋5#，6#主墩采用矩形空心墩，尺寸為縱向6m，內外坡均為直坡；橫向墩頂7m，外坡30∶1，內坡45∶1，墩頂處壁厚1m。以5#主墩尺寸為例，以0.2m分級分別考慮以下3種方案：

方案1：縱橫向尺寸及坡度不變，壁厚分別采用0.6，0.8，1.0，1.2，1.4m；

方案2：橫向尺寸、壁厚及坡度不變，縱向尺寸分別采用5.6，5.8，6.0，6.2，6.4m；

方案3：縱向尺寸、壁厚及坡度不變，橫向尺寸分別采用6.6，6.8，7.0，7.2，7.4m。

1）空心墩壁厚

選取方案1，分別計算在主力及主力+附加力作用下橋梁的邊跨跨中、中跨跨中、墩頂、墩底截面的彎矩。空心墩壁厚對結構受力的影響見圖2。

圖2　空心墩壁厚對結構受力的影響

2）空心墩縱向尺寸

選取方案2，分別計算在主力及主力+附加力作用下橋梁的邊跨跨中、中跨跨中、墩頂、墩底截面的彎矩。空心墩縱向尺寸對結構受力的影響見圖3。

3）空心墩橫向尺寸

選取方案3，分別計算在主力及主力+附加力作用下橋梁的邊跨跨中、中跨跨中、墩頂、墩底截面的彎矩。空心墩橫向尺寸對結構受力的影響見圖4。

分析圖2—圖4可知：

1）隨著空心墩壁厚的增大，4個截面處的彎矩均增加，墩底彎矩增加了24.7%，墩頂彎矩增加了11.8%，梁體跨中截面的彎矩增加值較小，均＜2%。

2）隨著空心墩縱向尺寸的增大，墩底彎矩增加了23.6%，墩頂彎矩增加了6.8%，梁體中跨跨中彎矩基本不變，邊跨跨中彎矩略有減小。

3）隨著空心墩橫向尺寸的增大，墩底彎矩增加了4.5%，墩頂彎矩增加了2.1%，梁體中跨及邊跨跨中彎矩基本不變。

圖3　空心墩縱向尺寸對結構受力的影響

圖4　空心墩橫向尺寸對結構受力的影響

2.2基礎剛度對結構受力的影響

在對剛構橋梁的靜力和抗震分析過程中，通常用承臺底6個自由度的彈簧剛度模擬樁土的相互作用，這6個彈簧剛度分別是豎向剛度、順橋向和橫橋向的抗推剛度、繞豎軸的抗扭剛度和繞兩個水平軸的抗彎剛度。以5#主墩為例，將基礎縱向剛度擴大0.5，1，2，4，8倍，分析基礎剛度對結構受力的影響，見圖5。

圖5　基礎模擬剛度對結構受力的影響

由圖5可知：樁基縱向剛度由0.5倍提高到8倍，墩底彎矩增加了11.9%，墩頂彎矩增加了1.21%，中跨跨中彎矩基本不變，邊跨跨中彎矩略有減小。

2.3橋墩尺寸對結構自振特性的影響

利用Midas軟件建立全橋有限元模型進行動力分析，得到剛構橋前4階的振型及自振頻率。

1）空心墩壁厚

選取方案1，不同橋墩壁厚時結構自振頻率見表1。

表1　不同橋墩壁厚時結構自振頻率Hz

2）空心橋墩縱向尺寸

選取方案2，不同橋墩縱向尺寸時橋墩自振頻率見表2。

3）空心橋墩橫向尺寸

選取方案3，不同橋墩橫向尺寸時橋墩自振頻率見表3。

表2　不同橋墩縱向尺寸時橋墩自振頻率Hz

表3　不同橋墩橫向尺寸時橋墩自振頻率Hz

分析表1—表3可知：

1）隨著空心墩壁厚的增大，前3階頻率均增加，橋梁剛度增大，其中第2階頻率增加了9.83%，第1階頻率增加了4.55%。

2）隨著橋墩縱向尺寸的增大，前3階頻率均增加，橋梁剛度增大，其中第2階頻率增加了3.55%，第1階頻率增加了9.36%。

3）隨著橋墩橫向尺寸的增大，前3階頻率均增加，橋梁剛度增大，其中第2階頻率增加了7.1%，第1階頻率增加了1.2%。

2.4基礎剛度對結構自振特性的影響

以5#主墩為例，將基礎縱向剛度擴大0.5，1，2，4，8倍，分析基礎剛度對結構自振頻率的影響，見表4。由表4可知：基礎縱向剛度由0.5倍提高到8倍，縱向第一振型頻率提高了13.4%，對橫向頻率沒有影響；橫向剛度由0.5倍提高到8倍，橫向第一振型頻率提高了13.5%，對縱向頻率沒有影響。

表4　不同基礎剛度時結構自振頻率Hz

3　結論

1）橋墩尺寸的增大引起墩頂、墩底彎矩的增加，對墩底彎矩的影響最大；增加壁厚和橋墩縱向尺寸對墩頂、墩底彎矩增加最明顯，但對梁體跨中彎矩影響甚微。對于高墩橋梁，由于空心墩縱向剛度相對較小，梁體受力特點趨向于連續梁，故改變橋墩尺寸對梁體受力影響很小。

2）橋墩尺寸的增大引起橋梁自振頻率的增加，橋梁縱、橫向剛度隨之變大。3個方案中增加壁厚對橫向自振頻率影響最大，增加橋墩橫向尺寸對其的影響次之；增加橋墩縱向尺寸對縱向自振頻率的提高最明顯。

3）基礎縱向剛度的增大，使墩底彎矩增加較多，其他截面受力變化很小；縱向剛度的增大，提高了縱向第一階振型頻率，對橫向頻率沒有影響；橫向剛度的增大提高了橫向第一階振型頻率，但對縱向頻率無影響。

4）增加壁厚對橫向剛度影響最大，但在實際橋梁設計中，空心墩壁厚及基底剛度調整幅度不會太大。通過調整壁厚及樁基剛度改變橋梁剛度的效果有限，所以主要依靠增大橋墩縱橫向尺寸來提高橋梁剛度。

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AbstractT aking the high piers long-span continuous rigid frame bridge design across the Irtysh River of the Altay-Fuyun railway as the engineering background，the influence of pier size and foundation stiffness on stress and free vibration performance of long-span continuous rigid frame bridge with high piers was analyzed.T he results show that the increase of pier size causes the bending moment at the top and bottom of the pier，but the influence of the bending moment is very little，and increasing the wall thickness of the pier is the greatest influence on the transverse natural frequency，the second is to increase the transverse dimension.With the increase of foundation stiffness，the bending moment at the bottom of bridge pier increases more，but the other cross sections is very little.

Analysis About Influence of Pier Size and Foundation Stiffness on Stress and Free Vibration Performance of Long-span Continuous Rigid Frame Bridge with High Piers

SHAN Chuanliang
（Xinjiang Railway Survey＆Design Institute Co.，Ltd.，China Railway First Survey＆Design Institute Group Co.，Ltd.，Urumqi Xinjiang 830011，China）

Long-span continuous rigid frame bridge；Pier size；Foundation stiffness；Free vibration performance；High pier

U448.23

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.04

1003-1995（2016）04-0013-04

（責任審編鄭冰）

2015-12-02；

2016-01-21

單傳亮（1981—），男，工程師，碩士。