不同高墩形式下连续刚构桥动力性能分析

2010-05-04 08:42杨雅勋李子春

铁道建筑 2010年7期

杨雅勋，李子春

(1.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安710064;2.中国铁道科学研究院，北京100081)

随着我国西北地区公路、铁路等基础设施的修建，高墩大跨连续刚构桥得到普遍的运用［1－2］。目前常见的高墩形式有四柱式实心桥墩、双薄壁式实心墩、独柱实心墩等，但究竟哪种桥墩抗震性能更好，综合性能更高，目前研究较少［3－6］。尤其是在当前对高墩大跨径连续刚构桥抗震性能的研究还不够充分的情况下，对不同高墩的抗震性能进行研究，指出其性能上的差异，显得更为必要［7－8］。本文以西安至禹门口高速公路上杏沟大桥为例，利用ANSYS有限元程序，分析其分别采用四柱式实心桥墩、双薄壁式实心墩、独柱实心墩时的动力性能，并得出相关结论。

1 工程概况

杏沟大桥为一座预应力混凝土连续刚构桥，主桥跨径为50 m+80 m+50 m。主梁为变截面单箱单室结构，箱梁上顶板宽12.8 m，下底板宽6.0 m，墩梁结合处梁高4.2 m，其间梁高按二次抛物线变化，混凝土强度C50，全桥布置如图1。两桥墩墩高均为60 m，混凝土强度C50，分别采用钢筋混凝土四柱式实心墩(截面尺寸为2.37 m×2.37 m，横桥向间距3.2 m，纵桥向间距1.0 m)、双薄壁实心墩(截面尺寸为2 m×6 m、纵桥向间距1.0 m)、独柱实心墩(截面尺寸为 φ5.34 m)，截面积相差在0.3%以内，认为面积相等。桩基采用直径2.0 m的钻孔灌注嵌岩桩。所在的场地类型为第二类场地土，地震烈度按8度设防。

2 全桥自振特性分析

全桥有限元模型见图2，选择 Shell单元和 beam单元进行计算。成桥状态下前十阶振型基本形态和自振频率见表1和图3～图5。

图1 杏沟大桥总体布置(单位:m)

图2 全桥有限元模型

从表1和图3～图5中三类墩柱的全桥频率和周期分析得出:采用四柱式实心桥墩、双薄壁式实心墩、独柱实心墩的自振频率依次增大，前十阶的提高幅度平均为14.8%和36.9%。在构件截面积相等条件下，独柱式墩的刚度最大，而四柱式墩最小。

表1 杏沟大桥前十阶自振频率

图3 四柱式实心墩前十阶振型

图4 双薄壁式实心墩前十阶振型

图5 独柱式实心墩前十阶振型

从图3～图5的分析可知，三类墩的一、二阶振型的振动特征相同。四柱式墩第三阶振型与双薄壁式墩第五阶振型振动特性相同，且它们对应的四与三、五与四、六与八、七与六、八与九、九与七阶振型的振动特征分别相同。但独柱式墩第三阶振型与四柱式墩相同外，越往高阶，差别越大。这说明四柱式桥墩与双薄壁式墩对振型影响不明显，但独柱式桥墩与前两者相差较大，只有最初的三阶振型的振动特性相同。

在前十阶振型中，高墩的摆动在四柱式墩和双薄壁式墩中占的比例均为60%，在独柱式墩中只占10%。表明前两类大跨连续刚构桥的振动主要为高墩的弯曲，这也验证了桥梁震害中破坏形式最常见为桥墩的弯曲破坏、剪切失效及局部屈曲等，从而引起桥梁倾斜、沉陷、落梁，甚至坍塌。而独柱式墩由于刚度较大，能够避免墩柱的各类破坏，保证桥梁的正常通行。

3 地震波作用下动力性能分析

地震作用采用典型的El－Centro波和Taft波进行分析，分别取其前16 s，波形如图6。地震波峰值加速度相当于0.2 g，方向分别考虑横桥向和纵桥向两个方向。

图6 地震波波形

地震波作用下桥梁结构反应特征值见表2。El－Centro波横桥向作用下，四柱式墩底剪力最小，另两类墩底剪力分别比其高17.9%和43.7%，但墩顶和跨中位移最大值均出现在双薄壁式墩的桥梁上，分别达到0.195 m和0.239 m。Taft波横桥向作用下，同样为四柱式墩底剪力最小，另两类墩底剪力分别比其高7.1%和54.5%，而其墩顶和跨中位移均最大，分别达到0.264 m和0.320 m。与 El－Centro波相比，Taft波作用下，四柱式墩和独柱式墩的动力反应要大得多，前者墩底剪力增大5.9%，墩顶位移增大70.3%，跨中位移增大68.4%;后者墩底剪力增大21.8%，墩顶位移增大22.1%，跨中位移增大16.7%;但双薄壁式墩的动力反应要小于El－Centro波作用，其墩底剪力减小3.9%，墩顶位移减小8.2%，跨中位移减小11.3%。El－Centro波纵桥向作用下，独柱式墩底剪力最小，另两类墩底剪力分别比其高12.3%和12.6%，但墩顶和跨中位移最大值均出现在四柱式墩的桥梁上，分别达到0.032 m和0.020 m。与横桥向地震波作用相比，纵桥向的位移要小得多。由于地震波的卓越周期、结构的自振特性不尽相同，从而导致结构的反应不尽相同。El－Centro波横桥向作用下桥梁反应时程曲线见图7。由图7可见，四柱式墩和双薄壁式墩在地震波峰值出现的前3 s内，动力反应没有达到最大，而是在6 s以后达到最大，9 s以后四柱式墩动力反应减小，而双薄壁式墩保持这一幅度。而独柱式墩的最大动力反应出现在地震波峰值出现的前3 s内，此后逐渐减小。整个地震波作用下，独柱式墩位移幅度均小于四柱式墩，而四柱式墩则小于双薄壁式墩。前3 s内，独柱式墩底剪力远远大于另两类墩，此后则小于另两类墩;而四柱式墩底剪力与双薄壁式相当。

表2 地震波作用下桥梁结构反应特征值

Taft波横桥向作用下桥梁反应时程曲线见图8。由图8(a)可见，独柱式墩底剪力要远大于其他两类墩，且剪力的衰减不明显，而四柱式墩和双薄壁式墩底剪力在达到峰值后逐渐减小，且四柱式墩最小。但在图8(b)、图8(c)中，独柱式墩的位移却最小，而四柱式墩的位移最大。

El－Centro波纵桥向作用下桥梁反应时程曲线见图9。由图9(a)可见，三类墩底剪力峰值接近，但四柱式墩直到6 s才达到最大值，此后变化幅度几乎没有衰减;而独柱式墩前3 s已经达到最大，此后衰减明显;双薄壁式墩底剪力在前3 s内有一次起伏，在6 s左右达到最大，此后衰减，11 s左右达到最小，往后有所增大。由图9(b)、图9(c)可见，纵桥向地震波作用下，不同类墩的桥梁结构位移反应比横桥向作用要小得多，且四柱式墩的位移衰减不明显。