基于桥墩形式对连续刚构桥动力特性的影响研究

杨裕成

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550001)

基于桥墩形式对连续刚构桥动力特性的影响研究

杨裕成

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州 贵阳 550001)

通过对ANSYS有限元程序的应用，对某高速公路连续刚构桥进行分析，同时对边跨支座处的弹性约束作用进行考虑，并对该高速公路刚构桥动力计算的整体空间有限元进行模型计算，了解该桥桥墩在使用钢筋混凝土时的动力性能。

桥墩形式；连续刚构桥；动力特性；影响研究

1 桥梁结构有限元模型

本文以某大型公路桥梁为例进行分析，其主桥跨径布置为60 m+90 m+60 m，左右分别一副，单幅桥面的净宽度为13 m。同时，其属于变截面单箱单室结构的主梁，并采用强度为C50的混凝土。主桥两桥墩墩高均为45 m，并采用强度为C30的混凝土。通过对实桥相关参数的分析，将有限元模式进行有效建立，桥梁中采用了四种形式的桥墩。第一是四柱式桥墩，其截面尺寸为2.35 m×1.5 m,横桥向间距为3.5 m，纵桥向间距为0.8 m；第二是单薄壁空心墩，其截面尺寸为8.5 m×4.0 m；第三是独柱实心墩，其墩截面直径为4.5 m；第四是双薄壁空心墩，其截面尺寸为8.5 m×2.0 m,纵桥向间距为0.8 m。为了对该公路桥梁的动力特性进行分析，需要通过有限元程序ANSYS来实现计算。基于连续刚构桥自身明显的结构特征，并对以往类似建筑动力计算的结果进行分析，该桥梁有限元模式额单元类型得到确认。其中，通过空间板壳单元Shell 63模拟主梁，通过空间梁单元Beam 4对桥墩进行模拟。另外，根据桥梁的施工规范和设计图纸来对计算材料参数加以确定，并根据桥梁设计图纸来确定最终几何参数。

2 桥梁结构的动力分析

2.1 桥梁结构常见的动力分析方法

对了对结构的动力特征进行全方位分析，ANSYS程序共有七种可以计算的方法，第一是子空间法；第二是分块Lanczos法；第三是PowerDynamics法；第四是缩减法；第五是非对称法；第六是阻尼法；第七是QR阻尼法。在这几种计算方法中，最优的计算方法属于子空间法，其采用并结合了Jacobi迭代算法和子空间迭代技术。同时，子空间法的质量矩阵和刚度矩阵都很完整，具有很高的求解精确度，能够有效分析大型结构的模型。因此，本文通过子空间法来计算桥梁结构的动力。

2.2 桥梁结构的动力特性

通过ANSYS的计算，能够有效得出该桥在成桥状态下，由于桥墩形式的不同，而产生的自振频率和前10阶振型基本状态。经过对几种墩柱全桥频率的分析能够发现，采用几种桥墩形式的时候，会因此增大结构的自振频率，其依次为，第一是四柱式桥墩；第二是双薄壁空心墩；第三是单薄壁空心墩；第四是独柱空心墩，而前10阶自振频率的提高幅度依次为，15.3%、36.8%、36.2%、34.5%。在这种几种桥墩形式中，自振频率最高，且拥有最大结构刚度的是独柱实心墩，而其中刚度最小的则是四柱式桥墩。

双薄壁空心墩和四柱式桥墩只有在第十阶振型是独自具有有，而其它几个不同的阶数都具有相同振动特性的振型。独柱实心墩和单薄壁空心墩相同的是前六阶的振动特性，后面的四阶具有较大差别的振型。所以可以得出结论，振型不会因为双薄壁空心墩和四柱式桥墩而产生很大影响，而独柱空心墩和单薄壁空心墩相对来说差距更大一点，其振动特性相同的只有前面几阶振型。在10阶振型中，双薄壁空心墩和四柱式桥墩中高墩的摆动占有65%的比例，在单薄壁空心墩为25%，独柱实心墩只有10%的比例。这说明，双薄壁空心墩和四柱式桥墩主要是高墩弯曲所形成的振动，这也能够充分说明，局面屈曲、剪切失效和破坏弯曲是桥梁震害中最为严重的破坏形式，其能导致桥梁产生沉陷和倾斜，甚至可能出现落梁和坍塌等严重后果。而基于独柱实心墩具有较大的刚度，能够对墩柱的各类破坏起到有效的减少并避免，并为桥梁的安全通行提供保障。

3 地震波作用下的动力性能分

为了对地震波作用进行科学的分析，本文采用了Taft波和ElCentro波来进行具体分析，并对前16S的波形进行分别采取。当前，因为地震波峰值加速至等同于0.25g，所以需要从如下两个方向进行分别考虑，即横桥向和纵桥向。其中，横桥向在ElCentro作用下，剪力最小的时候是四柱式桥墩底，另外三类桥墩墩底剪力分别比它，依次是18.2%、14.8%、42.9%，但其中双薄壁空心墩的桥梁上出现了跨中和墩顶的最大值位移，其分别为0.197 m和0.240 m。而横桥向在Taft的作用下，剪力最小的时候为单薄壁空心墩，其它几个形式桥墩墩顶剪力分为比它高，依次是3.8%、10.5%、58.4%，但其中四柱式桥墩出现了跨中和墩顶的最大值位移，其分别为0.259 m和0.318 m。Taft波和ElCentro波进行相比，独柱实心墩和四柱式桥墩在Taft波作用下能产生更大的动力反应，独柱实心墩墩底剪力增大了22.3%，墩顶位移增大了22.1%，跨中位移增大了15.8%；而四柱式桥墩墩底剪力增大5.8%，墩顶位移增大68.9%，跨中位增大了69.4%。但双薄壁空心墩和单薄壁空心墩在Taft波作用下的动力反应不及ElCentro波，其中双薄壁空心墩墩底剪力减小了3.7%，墩顶位移减小了8.25%，跨中位移减小了10.95%；而单薄壁空心墩墩底剪力也减少了10.5%，跨中位移减小22.4%，墩顶位移减小21.9%。纵桥向在ElCentro作用下，其中墩顶剪力最小的为单薄壁空心墩，其他几类分别高出18.5%、18.9%和6.3%，但四柱式桥墩的跨中位移和墩顶出现最大值位移，其分别为0.033 m和0.03 m。纵桥向和横桥向地震波作用相比较，位移较小的是纵桥向。但是基于地震波结构的自振特性和卓越周期的不同，其最终反应的结构也是有所差别的。

通过对抗震性进行科学计算和综合分析动力特性可以发现，单薄壁空心墩结构振型振动一般是以桥面体系为主，其在Taft波和ElCentro波的作用下，会使墩顶、墩底剪力和中跨跨中发生位移变化，并且，这种情况带来的影响要比其他几种形式都小。所以，在实践施工过程中，单薄壁空心墩形式的墩身，更加适宜于连续刚构桥，在提高桥梁整体稳定性、安全性等方面发挥着重要作用。

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[3] 董学申,刘兴顺,宁晓骏等.大跨度连续刚构桥桥墩的地震响应分析[J].价值工程,2016,35(31):120-121.

2017-04-10

杨裕成(1979-)，男，贵州天柱人，工程师，研究方向：土木工程。

U442

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：1008-3383(2017)06-0097-02