橋墩類型對曲線連續剛構橋結構性能影響研究★

劉騰龍，孔 君，李 震 ，許夢旗 ，尹俊紅

(1.中冶京誠工程技術有限公司,北京 100176; 2.河南大學土木建筑學院,河南 開封 475004)

復雜山區橋梁由于受地形條件限制,往往需要跨越較大的河流或峽谷,橋梁結構一般采用高墩、大跨的結構形式[1]。曲線連續剛構橋具有適應道路線形、行車舒順、整體性好的優點,在山區高等級公路工程中得到廣泛推廣。

在曲線連續剛構橋的橋墩設計中,穩定性是需要關注的問題。在地震多發地區,進行橋墩選型時,也需考慮其抗震性能。同時,由于曲線剛構橋平面線形的不規則,在進行抗震研究時,有必要進行多維地震波輸入[2]。王俏[3]針對組合形式橋墩,進行了彈性穩定分析,得到了組合式橋墩合理分界點的位置。鄢芳華、彭順顯[4]分析了不同主墩形式下連續剛構橋的受力特點,指出整體式空心矩形薄壁墩在承載力、穩定性、抗震性能等方面與組合式橋墩截面的橋墩形式相比較更具有優勢,能夠更好的適用于山區高墩連續剛構橋的主墩。王東升等[5]提出對于高墩大跨度變截面剛構橋,主梁抗震問題應引起重視。盧澤睿等[6]對不同地震激勵方向的曲線連續剛構橋進行動力響應分析,指出高墩多跨曲線連續剛構橋的最不利地震輸入方向并不是橫橋向和縱橋向。

本文以某高速公路實際工程曲線連續剛構橋為對象,研究了不同類型的橋墩對連續剛構橋穩定性和抗震性能的影響,以期為以后橋梁工程中橋墩墩型的設計提供參考。

1 工程概況

以某高速公路工程橋梁為研究背景,其橋跨布置為65 m+120 m+65 m的預應力混凝土連續剛構橋,橋梁主墩為84.0 m。曲線橋平面位于半徑為2 200 m的左偏圓曲線上。橋梁分幅設置,橫斷面12.75 m=0.5 m(防撞護欄)+11.75 m(機動車道)+0.5 m(防撞護欄)。橋梁上部結構采用C55混凝土,采用單箱單室截面,按1.8次方拋物線梁高自跨中3.0 m過渡至墩頂7.3 m。

2 結構性能分析

2.1 穩定性分析

單肢空心薄壁墩截面尺寸為6.75 m×6 m,雙肢空心薄壁墩截面尺寸為6.75 m×3 m,雙肢間距6 m。主墩與主梁之間的連接方式采用剛接約束,主墩墩底完全固結。有限元模型如圖1,圖2所示。

2.1.1 懸臂施工階段

兩種橋墩最大懸臂階段前五階穩定性系數及失穩模態見表1。

表1 最大懸臂階段穩定系數

分析知,最大懸臂狀態下,單肢薄壁墩一階穩定系數大于雙肢薄壁墩的一階穩定系數,相差4.7%;兩種橋墩的截面橫向剛度都大于截面縱向剛度,兩墩的一階失穩模態均表現為縱向側傾;前三階時單肢薄壁墩與雙肢薄壁墩的失穩模態相同,三階以后雙肢薄壁墩的失穩模態均為縱向失穩,這是由于雙肢薄壁墩的縱向剛度要比橫向剛度小的多。兩種橋墩的前五階穩定系數都大于4,均滿足穩定性要求[7-8]。

2.1.2 成橋階段

兩種橋墩主橋成橋階段前五階穩定系數和失穩模態見表2。

表2 成橋階段穩定系數

由表2可知,在成橋階段時,單肢薄壁墩前三階的失穩模態較最大懸臂階段時的失穩模態發生變化,前兩階變為雙向側傾,第一階雙向側傾以縱向側傾為主,第二階雙向側傾以橫向側傾為主,第三階變為橫向彎曲,這說明成橋階段橋墩的縱向剛度有所提高。單肢薄壁墩穩定系數較最大懸臂階段有著大幅提高,為199%,雙肢薄壁墩穩定系數較最大懸臂階段提高17%,且單肢薄壁墩高于雙肢薄壁墩的穩定性;單肢薄壁墩與雙肢薄壁墩的穩定系數均大于最大懸臂階段的穩定系數,是由于橋梁在合龍之后,結構由原來的靜定結構轉化為超靜定結構,橋墩約束條件發生了改變,從而使得結構的穩定性提高。

2.1.3 曲率半徑對橋梁穩定性的影響

以成橋階段的連續剛構橋為研究對象,除曲率半徑以外的各項參數不變,將曲率半徑分別設置為2 200 m,2 000 m,1 000 m,800 m,500 m。所得一階穩定系數如圖3所示。

由圖3可知,曲率半徑從2 200 m減小到500 m時,單肢空心薄壁墩的一階穩定系數隨著曲率半徑的減小呈現出細微下降的趨勢,約2%,而雙肢空心薄壁墩的一階穩定系數隨曲率半徑的減小呈現逐漸增大的趨勢,提高0.3%,表明曲率半徑的改變對該橋梁穩定性的影響并不顯著,但單肢薄壁墩的一階穩定系數仍遠大于雙肢薄壁墩的穩定系數。單肢空心薄壁墩失穩模態為雙向側傾,雙肢空心薄壁墩失穩模態都為縱向側傾,說明雙肢薄壁墩對于主梁的扭轉有更好的約束作用,減小了傾覆力矩。

2.2 地震響應

橋梁結構位于Ⅱ類場地,采用兩條天然波(Elcentro波,Imperial Valley波)和一條人工波(蘭州波),歸一化地震波見圖4。規定順橋向為兩橋臺連線方向,橫橋向與之垂直。進行雙向激勵下的地震響應,8度地震下的水平輸入加速度峰值調整為0.2g。雙向輸入時,水平(E-W)、橫向(N-S)地震波峰值之比為1∶0.85[9-10]。

表3為各地震波激勵下的主梁跨中和邊跨跨中豎向彎矩、扭矩、墩軸力地震響應峰值。

單肢墩一階頻率為0.29 Hz,雙肢墩一階頻率為0.22 Hz。由表3可知,采用雙肢墩時,主梁中跨和邊跨跨中彎矩要比采用單肢墩減少42%～62%和54%～63%,扭矩的減少幅度為22%～38%和20%～45%,墩底軸力增加了82%～260%。分析可知,相比采用單肢墩,采用雙肢墩可以有效降低主梁跨中彎矩及扭矩,結構頻率也有所降低,但同時會增大雙肢墩的軸力需求。

3 結論

本文以實際工程為例,研究了橋墩類型對連續剛構橋薄壁高墩穩定性及抗震性能的影響,主要結論如下:

1)最大懸臂階段和成橋階段的單肢薄壁墩穩定性高于雙肢薄壁墩的穩定性,穩定系數均大于4,均滿足穩定性需求。

2)曲率半徑的改變對該橋梁穩定性的影響并不顯著。雙肢薄壁墩對于主梁的扭轉有更好的約束作用,較單肢墩有相對更好的抗側傾能力。

3)在雙向地震波激勵下,雙肢薄壁墩的抗震性能更優,但同時也增加了橋墩的軸向力需求,在設計時應予以重視。