鋼管混凝土格構式高墩的地震響應分析

何 天 舟

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

鋼管混凝土格構式高墩的地震響應分析

何 天 舟

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅 蘭州 730070)

介紹了鋼管混凝土橋墩的優越性，通過建立某鋼管混凝土格構式超高墩矮塔斜拉橋模型，對該橋進行了地震時程分析，得出了一些有應用價值的結論，為類似橋梁的抗震設計提供了依據。

橋墩，鋼管混凝土，地震作用，時程分析法

0 引言

本文橋梁因為需要翻越一個巨大黃土深壑，為將橋墩置于緩坡穩定地段，不可避免地需要采用高墩大跨橋梁結構。調查表明，在已建成及正在設計規劃中的高等級公路中，墩高超過40 m的高墩橋梁占橋梁總數的40%以上[1]。從橋梁結構的經濟性和可行性來看，傳統的鋼管混凝土結構已很難解決深大溝壑的跨越問題。近些年逐漸發展的鋼管混凝土式橋墩因其優越的綜合特性而受到關注。鋼管混凝土是一種在鋼管中填充混凝土，鋼管及其核心混凝土共同承受外荷載作用的構件形式[2]。鋼管混凝土的工作實質在于鋼管及其核心混凝土間的相互作用和協同互補。鋼管對核心混凝土的約束作用，使混凝土材料強度得以提高，塑性和韌性性能大為改善。同時，混凝土的存在可以延緩或阻止鋼管發生內凹或外凸的局部屈曲[3]。鋼管混凝土格構式應用于橋墩的應用實例還較少，故有必要對這一新型結構的動力特性進行研究。

1 鋼管混凝土橋墩簡介

鋼管混凝土結構較多應用于拱橋結構，將鋼管混凝土結構用作橋梁的墩柱,是一個創新的設計,其優越性主要表現在:

1)能夠充分發揮鋼管混凝土結構抗壓強度大的優勢;2)施工便捷,速度快,鋼管本身既是承重結構又是外模,且具有工業化快速安裝施工的優勢;3)經濟效益顯著。同鋼筋混凝土與鋼結構相比,在保持自重相近和承載力相同的條件下,可節省鋼材約50%，自重大大減小，既能夠減小結構尺寸,同時又能取得輕盈美觀的視覺效果;4)延性與耗能特性良好[4]。

2 地震反應分析方法

結構地震反應分析分為兩種：一種是以地震運動為確定過程的確定性地震反應分析，另一種是以地震運動為隨機過程的概率性地震反應分析。目前概率性地震反應分析方法還不成熟，世界各國的橋梁抗震設計規范中普遍采用確定性地震反應分析方法。在確定性的地震反應分析中，是把研究的橋梁結構作為一個系統，在采用有限元法時，即把結構處理為若干離散單元在有限個節點處連接起來的一個集合體，而把地面運動看成是對系統的輸入，系統的輸出即是地震反應。結構地震反應分析方法的演變依賴于地震理論的發展。地震理論也稱地震作用理論，它研究地震時地面運動對結構產生的動態效應。隨著地震作用理論的演變，產生了三種確定性地震反應分析的方法，即靜力法，反應譜法和動態時程分析法[5]。每一種方法都有自身的使用限制條件，對于本橋大跨高墩的工程背景，采用動態時程分析方法對橋墩的進行分析，能夠更準確的分析出控制截面的內力情況。

3 工程概況及計算模型

某橋橋高170 m左右，主橋孔跨布置為(72+174+324+174+72)m雙塔雙索面鋼桁梁矮塔斜拉橋，斜拉索扇形布置，梁上索距12 m，塔上索距2.0 m；橋面全寬15 m，該斜拉橋采用墩塔梁固結體系。橋墩采用鋼管混凝土墩。采用midas-Civil橋梁專用有限元軟件對全橋建立計算模型。用梁單元模擬鋼管混凝土橋墩和索塔，采用桁架單元模擬斜拉索。為了敘述方便，左側的鋼管混凝土橋墩為1號墩，右側的為2號墩(如圖1，圖2所示)。

4 地震響應分析實現方法

使用SIMQKE軟件人工擬合一條適合于本橋場地特性等參數的地震加速度時程曲線，持續時間20 s，時間間隔0.02 s，峰值加速度0.15g。規范要求對于使用反應譜逆向擬合的時程曲線，如果使用三條的話，取其中的最大反應曲線進行分析。故羅列的即最大反應時程曲線。第一部分內容為研究豎向地震作用對于鋼管混凝土橋墩控制界面的內力影響，故分兩種工況對比分析，工況一：豎向與縱向同時輸入地震作用，工況二：只沿縱向輸入地震作用。由于本橋墩為格構式橋墩，每一個橋墩有四個柱肢，當地震輸入角度不同時，相對于單柱墩來講會產生不同的地震響應。故第二部分內容為研究不同地震動輸入角度對橋墩的影響。分別設置沿0°(即縱向輸入)，30°，45°，60°，75°，90°(即橫橋向輸入)，結果中提取30°和60°兩個內力變化最大的柱肢結果。即最不利輸入方向下的結果，分析不同輸入角度對橋墩地震響應。

5 結果及分析

1號與2號墩構造形式與位置分布完全對稱，經驗證其內力變化情況與趨勢相同，限于篇幅，僅羅列1號墩的結果。而墩頂作為重要控制截面，圖3，圖4為不同工況下截面的控制內力：

1)豎向和縱向同時激勵與單獨縱向激勵下1號墩的內力時程曲線。

由圖3，圖4可知在考慮豎向地震的組合下，比不考慮豎向輸入的情況下，1號墩的墩頂剪力與彎矩分別增大了18%，27%，通常豎向地震動對墩柱的軸力影響較大，而彎矩和剪力由水平向地震輸入控制，但對于本橋這一高墩情況，彎矩和剪力都增幅較大。可見豎向地震的參與對結構的影響是顯著的，故在進行本類橋梁的地震響應分析時有必要考慮豎向地震動的組合影響。

2)不同輸入角度下控制截面的內力時程曲線。

a.30°輸入方向作用的結果。

b.60°輸入方向作用的結果。

由圖5～圖8可以看到，30°對于1號墩的墩頂剪力和彎矩增幅，分別為16%，13%，相比于30°方向，60°方向的地震輸入對墩的內力影響要激烈的多，超過30%以上，影響是顯著的。原因可能是60°方向的地震輸入最大程度的激發了橋梁的橫向振型，使橋墩內力發生較大變化?？梢娫谶@種多柱肢的鋼管混凝土高墩，考慮不同角度的地震輸入是很必要的，確定出一個最不利的地震輸入方向，然后再進行地震輸入組合，這樣操作對于地震響應分析就比較完整且全面。

6 結語

1)建立了鋼管混凝土格構式超高墩矮塔斜拉橋的分析計算模型，為今后類似橋梁的計算工作奠定了基礎。

2)鋼管混凝土格構式超高墩雖然整體屬于柔性結構，但考慮到鋼管對混凝土的套箍作用，使混凝土的極限應力大大增強，抗震性能優越。

3)豎向地震的作用在鋼管混凝土橋墩的動力分析中需要考慮，其對橋墩控制截面的內力影響是顯著的，故在進行后期驗算時需要同時考慮帶有豎向地震方向的組合。

4)對于彎橋通常需要進行不同地震輸入方向的地震響應分析，但對于鋼管混凝土格構式橋墩，因為其柱肢較多，故建議也進行不利地震輸入方向的計算。本文的結果是地震偏角對墩部的各個柱肢控制截面內力影響比較大。但需根據具體布置形式分別驗算。最后組合各個地震響應荷載工況，計算內力最大的柱肢截面的控制內力。

5)對鋼管混凝土格構橋墩進行了部分地震響應分析，為以后的工程實例提供了一個參考。

[1] 占玉林.鋼管混凝土組合格構柱高墩大跨連續鋼構橋非線性研究[J].四川建筑科學研究，2009，35(6)：38-41.

[2] 吳慶雄，黃育凡，陳寶春.鋼管混凝土組合桁架——格構墩輕型橋梁非線性研究[J].工程力學，2015，32(12)：90-98.

[3] 李 莉.超長鋼管混凝土格構柱極限承載力試驗研究[J].建筑結構，2015，43(sup)：488-492.

[4] 歐智菁.鋼管混凝土格構柱發展和研究[J].福州大學學報，2008，36(4)：585-591.

[5] 陳敏海.鋼管混凝土高墩大跨連續鋼構橋地震響應分析[D].長沙:長沙理工大學，2010.

On earthquake response analysis of concrete filled steel tube lattice high pier

He Tianzhou

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

The paper introduces the advantages of the concrete filled steel tube bridge pier, undertakes the seismic time-history analysis of the bridge by establishing some concrete filled steel tube lattice ultra-high pier low-pylon cable-stayed bridge model, and achieves valuable conclusion, so as to provide some reference for the seismic design for similar bridges.

bridge pier, steel tube concrete, seismic role, time-history analysis method

1009-6825(2017)05-0190-02

2016-12-01

何天舟(1990- )，男，在讀碩士

U442.55

A