運寶黃河大橋主橋橋墩優化設計探討

姚 廣

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

運寶黃河大橋主橋跨徑為110 m+200 m×2+110 m 鋼腹板矮塔斜拉橋，采用塔、梁、墩固結體系，既避免了大噸位支座的情況，又增加了橋梁的整體抗震性能；最大墩高為45 m，由于墩身相對不高，而主橋跨徑相對較大，橋梁結構本身對溫度反應敏感，因此，主橋橋墩在整體升降溫荷載作用下，橋墩受力偏為不利，如何合理設計橋墩斷面型式成為橋梁設計的一個難點。本文通過利用大型有限元結構分析軟件建立主橋分析模型，分析在各不同工況下橋墩的不利狀態，分析不同橋墩斷面形式下橋墩受力特點，同時經過優化后的橋墩進行主橋抗震分析，為橋梁設計提供理論依據。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2 橋墩縱向斷面方案

運寶黃河大橋主橋址處于國家濕地自然保護區，為滿足黃委會關于主梁主跨大跨徑布置的要求，并充分考慮主橋橋墩相對較矮的不利狀況，大橋主梁采用波形鋼腹板斷面[1]，以減少上部結構自重；主梁采用塔梁墩固結體系，橋墩在整體升降溫和地震力作用下，橋墩受力相對不利，因此，如何優化橋墩縱向剛度是橋墩設計的一個難點；同時，考慮運寶黃河大橋防冰凌需求，在設計時考慮降低橋墩縱向剛度，采用了變截面設計和雙薄壁墩兩種方案[2]。

a）方案一 考慮運寶黃河大橋冬季冰凌對大橋的影響，橋墩縱向設計采用抬高雙薄壁墩實心段高度，高出防凌水位1 m，同時考慮，實心段剛度相對薄壁墩較大，橋墩縱向采用變截面設計，坡率按1∶50 向下收窄橋墩斷面，橋墩在承臺處縱向寬度為8.2 m。

b）方案二 橋墩采用雙薄壁實心墩，壁厚2.2 m，縱向總寬9.0 m，為盡量減小橋墩縱向剛度，橫橋向橋墩中間部分挖空，壁寬7.5 m，橫向總寬23 m，橫向設防冰凌分水尖。

3 橋墩縱向斷面優化

大橋采用大型有限元分析軟件建立橋梁有限元模型，主梁共205 個單元，拉索78 個單元，橋塔48個單元，橋墩按方案一、方案二分別建立有限元模型；計算橋墩在整體升溫25 ℃，降溫30 ℃下分析主橋橋墩（Z2～Z4）墩底內力（彎矩/豎向力）。

表1 不同方案下主橋主墩墩底內力對比

圖2 方案一有限元單元模型

圖3 方案二有限元單元模型

經橋墩內力對比分析，方案一墩底截面按雙層均布布置，裂縫計算寬度為0.28 mm，需進行橋墩豎向預應力設計，增加設計復雜性，為考慮大橋整體耐久性，同時經對比分析方案二橋墩受力，能夠滿足雙層φ28 均布布置裂縫寬度小于等于0.20 mm 的要求，不需配置豎向預應力鋼束。最終運寶黃河大橋主橋橋墩采用雙薄壁實心斷面形式，圖4 為經優化過的主橋橋墩斷面形式。

圖4 優化后橋墩斷面

4 抗震分析

橋墩斷面優化后，建立主橋有限元抗震分析模型，按《公路橋梁抗震設計細則》中A 類橋梁對運寶黃河大橋進行抗震性能分析，采用50 年超越概率10%作為E1 地震作用和50 年超越概率2%作為E2 地震作用兩種地震動水平進行抗震設防計算；表2 為運寶黃河大橋前10 階主要振型周期。

表2 運寶黃河大橋動力特性

為分析在地震力作用下橋墩的抗震性能，E1 地震作用下，結構校核目標是橋墩在彈性范圍內工作，其地震反應小于初始屈服彎矩；E2 地震作用下，結構校核目標是橋墩截面允許進入屈服狀態，在進行強度驗算時，根據在恒載和地震作用下的軸力組合對主橋各橋墩、索塔最不利控制截面進行M-φ 分析，得出各控制截面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩，進行結構的抗震性能驗算。

表3 E1 地震作用下橋墩各關鍵截面抗震驗算結果

表4 E2 地震作用下橋墩各關鍵截面抗震驗算結果

經分析，在地震水平I 作用下，橋塔、墩柱截面其在地震作用下的截面彎矩均小于截面初始屈服彎矩（考慮軸力）My。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時對應的初始屈服彎矩，因此當地震反應彎矩小于初始屈服彎矩時，整個截面保持在彈性，結構基本無損傷。在地震水平Ⅱ作用下，橋塔、墩柱截面其在地震作用下的截面彎矩應小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq（考慮軸力）。實際上，在地震過程中，對應于等效抗彎屈服彎矩Meq，由于地震過程的持續時間比較短，地震后，由于結構自重，地震過程開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足地震水平Ⅱ作用下局部發生可修復的損傷，地震發生后，基本不影響車輛通行的性能要求。

5 結論

通過優化運寶黃河大橋主橋橋墩斷面形式，使得橋梁在靜力和抗震分析中受力均能得到改善；大橋采用塔梁墩固結體系，橋墩縱向采用雙薄壁實心墩，在地震力作用下，利用雙薄壁墩縱向剛度小的優點，使得地震效應減小，同時充分利用波形鋼腹板減重以減輕地震作用帶來的不利影響，達到滿足規范設計的要求, 本橋墩優化設計對大跨矮墩的設計有一定借鑒作用。