連續梁橋型鋼骨架- 混凝土橋墩靜動力對比分析

彭銀飛，羅如登，楊雪霞*，陳佳琪，尹 峰，楊 森

（1.太原科技大學應用科學學院，山西 太原 030024；2.中南大學土木工程學院，湖南 長沙 410075；3.中國建筑第五工程局第三建設有限公司，湖南 長沙 410007；4.上海同是科技股份有限公司，上海 201203）

型鋼-混凝土組合結構可以充分發揮鋼和混凝土各自的優勢，自問世以來得到了較為廣泛的研究和應用。這種組合結構的主要應用形式包括單柱或異形柱、梁、板以及框架結構等。RC 橋墩內部配置鋼筋籠為骨架；配置單根型鋼或多根型鋼作為骨架的并不多見。劉娜和王修信[1]采用ANSYS 分析和研究了配置單根H 型鋼的鋼-混凝土單柱式矩形橋墩。張樹清和尹超[2]計算和分析了麗龍高速九龍大橋的V 型型鋼骨架混凝土橋墩。DENG 等[3]對鋼-混凝土組合橋墩以及RC 橋墩進行了擬靜力對比試驗和理論分析，試驗曲線和理論骨架曲線吻合較好。陳百玲、王連廣等[4]提出一種“預制型鋼混凝土與RC 拼裝橋墩及施工工藝”，用于目前快速發展的預制混凝土裝配式橋梁。以上國內外對型鋼混凝土在橋墩中的應用和研究都是集中在只配置了單根型鋼或一組同類型型鋼的橋墩上，受力特點相對明確。

湖南長沙市湘府東路跨瀏陽河連續梁橋采用了一種新型的PSSC 橋墩。這種橋墩內部布置多根不同型號型鋼組成的骨架，通過栓釘將混凝土與型鋼連接成為整體受力。本研究以該橋為工程背景，對這種PSSC橋墩方案和相同外形尺寸的RC 橋墩方案進行靜動力有限元分析，研究PSSC 橋墩的整體受力性能。

1 瀏陽河橋型鋼骨架- 混凝土橋墩概況

該橋PSSC 橋墩，型鋼采用Q235C 鋼材，墩柱和蓋梁均采用C55 混凝土。墩柱為圓柱形，直徑4 m，高8.6 m，蓋梁高6 m，分為兩部分，下部為四棱臺，上部為長方體。橋墩中布置型鋼骨架，豎向10 根型鋼繞圓柱均勻排布，每隔1.6 m 有一水平型鋼骨架對豎向型鋼進行約束，型鋼之間采用等強度焊接連接。為確保型鋼和混凝土之間共同受力，在型鋼上焊接φ22 栓釘。

2 瀏陽河橋型鋼骨架- 混凝土橋墩受力性能對比分析

2.1 有限元分析方法和模型

為了研究這種PSSC 橋墩的整體受力性能，本研究按照該橋墩的外形尺寸擬定了一個RC 橋墩方案，對這兩種橋墩方案分別進行靜、動力有限元對比分析。靜力分析針對成橋后運營狀態來進行，只對橋墩建模，上部結構作為荷載施加在橋墩上。動力分析分為反應譜分析和地震時程分析，針對一種最不利的狀態-施工中的最大懸臂狀態進行分析，動力分析的有限元模型包含橋墩和最大懸臂狀態主梁。

兩種橋墩方案的混凝土和型鋼均采用梁單元模擬，并通過設定混凝土單元節點為主節點，型鋼單元節點為從節點，主從節點剛性連接模擬兩者共同受力。

RC 橋墩和PSSC 橋墩有限元模型，見圖1(a)，型鋼骨架模型見圖1(b)，模型中X 方向為順橋向，Y 方向為橫橋向，Z 方向為豎向。模型中C55 混凝土軸心抗壓強度設計值fc=35.5 MPa，彈性模量Ec=3.55×104MPa；6 種不同截面尺寸型鋼，均為Q235C，彈性模量Ec=206 GPa。傳統橋墩模型一共有80 個節點，79 個梁單元；PSSC 橋墩模型一共有908 個節點，1 091 個梁單元。

圖1 有限元模型

2.2 有限元分析荷載和參數

靜力分析施加的荷載為運營階段橋墩的支座反力和制動力，支座反力參考該橋的設計計算報告取1.33×105kN，制動力取車道荷載總重力的10%，共941.4 kN，作為節點荷載施加在墩頂節點上，見圖1(a)。

反應譜分析采用參數為：Ⅱ類場地，B 類橋梁，場地特征周期0.35 s，設防烈度7 度，振型組合采用SRSS 組合，特征值分析采用多重Ritz 分析，對最大懸臂狀態橋梁進行水平方向E1 多遇地震反應譜分析，反應譜曲線見圖2。

圖2 反應譜曲線

時程分析選取兩組實錄地震波為Taft_v 和TH002TG035_CAPE，一組人工擬合地震波，對最大懸臂狀態橋梁進行地震時程分析。限于篇幅，本研究只給出Taft_v 實錄地震波曲線，見圖3，以及相應的分析結果。地震時程分析分為三種組合工況，分別為1.0Ex+0.3Ey+0.3Ez(簡稱CX)、0.3Ex+1.0Ey+0.3Ez(簡稱CY)和0.3Ex+0.3Ey+1.0Ez(簡稱CZ)。三種組合工況采用的分析參數均為線性分析、振型疊加法和瞬態時程類型。

圖3 Taft_v 實錄地震波曲線

3 瀏陽河橋橋墩有限元對比分析結果

3.1 靜力對比分析結果

圖4 是靜力荷載作用下兩種橋墩墩柱混凝土組合應力(最大值)曲線，由圖中可見兩種橋墩方案的應力變化規律相同，PSSC 橋墩較RC 橋墩應力下降7%～8%。PSSC 橋墩靜力性能要優于RC 橋墩。

圖4 靜力分析組合應力(最大值)曲線

3.2 動力對比分析結果

3.2.1 動力特性分析

在進行動力對比分析之前，必須先對兩種橋墩進行結構動力特性分析。表1 為兩種橋墩方案最大懸臂狀態的前10 階振型和頻率結果。計算結果顯示，兩種橋墩的各階振型一致；型PSSC 橋墩的各階自振頻率較RC 橋墩的高，說明整體剛度較大。對兩種橋墩分析了前60 階自振頻率和振型，到第53 階時六個自由度方向質量參與比均已達到90%以上，滿足規范要求。

表1 前10 階自振頻率和振型結果

3.2.2 反應譜分析結果

圖5 是反應譜分析中兩種橋墩墩柱混凝土組合應力(最大值)曲線，由圖中可見兩種橋墩方案的應力變化規律相同。通過數據對比，PSSC 橋墩比RC 橋墩在順橋向條件下混凝土單元組合應力(最大值)減少4%～8%；PSSC 橋墩比RC 橋墩在橫橋向條件下混凝土單元組合應力(最大值)值減少5%～6%。

圖5 反應譜分析組合應力(最大值)曲線

3.2.3 地震時程分析結果

圖6 是時程分析中兩種橋墩墩柱混凝土組合應力(最大值)曲線，由圖中可見兩種橋墩方案的應力變化規律相同。通過數據對比，PSSC 橋墩比RC 橋墩在CX 組合工況下混凝土單元組合應力(最大值)減少7%～12%；在CY 組合工況下混凝土單元組合應力(最大值)減少5%～6%；在CZ 組合工況下混凝土單元組合應力(最大值)減少5%～11%。說明型鋼骨架可提高橋墩的抗震性能，不同受力方向的提高程度與型鋼骨架布置形式有關。

圖6 時程分析組合應力(最大值)曲線

4 結論

(1) 在靜、動力荷載作用下，瀏陽河橋PSSC 橋墩方案和RC 橋墩方案的混凝土墩柱應力和位移分布規律均相似。

(2) 由于型鋼骨架的存在，瀏陽河橋PSSC 橋墩的受力性能較同尺寸的RC 橋墩約有5%～12%的提高，不同受力方向的提高程度與型鋼骨架布置形式有關。

(3) PSSC 橋墩可完全滿足RC 橋墩的設計要求，可推廣應用至類似的橋梁工程中。