钢管混凝土桥墩的抗震性能研究

李 胜 牟廷敏 范碧琨 赵艺程

（1 四川交通职业技术学院；2 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院）

0 引言

我国西部山区地形地质条件复杂，地震烈度高，桥梁受地形条件限制，往往需要采用高墩大跨结构。连续刚构桥以其内力分布合理、跨越能力强、造型美观等优点，在西部山区广泛应用，并逐渐朝跨径更大、桥墩更高的方向发展。目前连续刚构桥的桥墩多采用钢筋混凝土结构，但是钢筋混凝土自重大，当用于高墩、大跨、高地震烈度区的桥梁时，结构抗震设计复杂[1]。因此，本文对比了钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩的地震效应，结果表明，钢管混凝土桥墩更适合于高烈度重山区大跨高墩连续刚构设计时采用。

钢管混凝土桥墩设计

某连续刚构跨径布置为106m+2×200m+115m+40m，如图2-1所示。其中5#、6#、7#墩高分别为 113、195、178m。桥梁全宽 16m，设计荷载公路-Ⅰ级，地震基本烈度7.7度，地震加速度峰值：E1地震下0.151g，E2地震下0.274g。按传统设计，连续刚构桥墩在此高度范围内时，多采用箱型截面，并且箱型截面根据受力需要进行横纵桥向放坡设计，提高截面承载能力。但是当墩高超过一定高度，地震烈度又较大时，箱型截面的尺寸和地震效应大，桥梁抗震设计困难。所以本文提出采用钢管混凝土桥墩设计，构造如图2-2所示。

其中5#、6#、7#主墩为钢管混凝土桥墩，钢管混凝土桥墩由四肢格构柱及柱间混凝土肋板形成单箱单室截面。在主梁翼板根部，墩横桥向宽11.9m，5#墩横向不放坡，6#和7#墩横向按60：1放坡；纵桥向5#墩顶宽9.4m，6#和7#墩墩顶宽11.0m，纵向均不放坡。

1 某大跨高墩连续刚构总体布置图

2 主墩设计尺寸示意图

2.1 有限元模型的建立

为分析对比钢管混凝土桥墩连续刚构和钢筋混凝土桥墩连续刚构的抗震性能，本文采用有限元分析软件MIDAS/CIVIL分别建立上述两种结构的空间杆系模型。

其中，钢管混凝土桥墩连续刚构模型的结构构造参数按设计取值，钢筋混凝土桥墩连续刚构模型仅将 5#～7#主墩截面修改成钢筋混凝土箱型截面，纵横向按70：1放坡，截面壁厚100cm，材料为C50混凝土。截面尺寸如图3-1、3-2所示，空间杆系模型如图3-3所示。

图3 -1 钢筋混凝土空心墩截面

图3 -2 钢筋混凝土空心墩局部模型如图3-1

图3 -3 连续刚构有限元计算模型

地震荷载按该桥《安评报告》取值，地震基本烈度7.7度，按照50年超越概率10%，水平地震加速度峰值PGA=0.151g（E1地震），地震动反应谱特征周期为0.45s；按照50年超越概率2%，水平地震加速度峰值PGA=0.274g（E2地震），地震动反应谱特征周期为0.50s。其余计算荷载按规范和设计文件取值。

2.2 地震作用效应

分别对钢管混凝土桥墩连续刚构模型和钢筋混凝土桥墩连续刚构模型进行E1反应谱分析和E2时程分析，对比两种结构在E1、E2地震荷载作用下的结构反应。

一.E1地震作用下主墩控制截面内力

进行 E1地震作用下的反应谱分析，计算得 5#墩墩顶与墩底截面、6#墩墩顶与墩底截面、7#墩墩顶与墩底截面[2]处内力如表4-1所示。

表3 -2 E1地震作用下主墩控制截面内力

注：弯矩增大率=（钢筋混凝土墩-钢管混凝土墩）/钢管混凝土墩

由以上数据可知：两类主墩地震响应规律基本一致。6#墩墩底横桥向弯矩最大，分别为1.25×106kN·m和1.91×106kN·m，其余截面弯矩均表现为钢筋混凝土空心墩大于钢管混凝土桥墩，增幅约53%～134%。其中， 6#墩采用钢管混凝土桥墩比采用钢筋混凝土空心墩，墩底横向弯矩减小了约40%，优势明显。

二.E2地震作用下主墩控制截面内力

进行 E2地震作用下的时程分析，计算得 5#墩墩顶与墩底截面、6#墩墩顶与墩底截面、7#墩墩顶与墩底截面处内力如表4-2所示。

表4 -2 E2地震作用下主墩控制截面内力

注：（钢筋混凝土墩-钢管混凝土墩）/钢管混凝土墩

对比两类结构5#～7#墩墩顶和墩底处的纵、横向弯矩可得，6#墩墩底横桥向弯矩最大，分别为3.0×106kN·m和4.0×106kN·m。横向弯矩在6#墩墩顶截面两者基本一致，其余截面钢筋混凝土空心墩均大于钢管混凝土桥墩，增幅约33%～70%。纵向弯矩除7#墩墩顶截面外，其余截面钢筋混凝土空心墩均大于钢管混凝土桥墩，增幅约31%～191%。虽然7#墩墩顶截面纵向弯矩钢管混凝土桥墩比钢筋混凝土空心墩大38%，但数量级为105，与控制弯矩相比绝对数值较小，所以钢管混凝土桥墩的抗震优越性较为明显。

2.3 基本动力特性

两种结构的前五阶频率和振型列于表5-1。两类结构在振型表现上是一致的，从基频来看，钢管混凝土桥墩连续刚构的基频为0.157，略小于钢筋混凝土空心墩连续刚构的基频0.196，其余各阶频率钢管混凝土桥墩连续刚构均小于钢筋混凝土桥墩连续刚构，说明钢管混凝土桥墩刚度较柔，对抗震有利。

表5 -1 两种结构体基本动力特性对比

表6 -1 成桥状态各加载位置下的稳定安全系数

2.4 稳定性分析

高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥由于桥墩高，墩的柔度增大，刚度大大削弱，使得桥梁的稳定性减弱[3]。因此，本小节对两类结构体系的稳定性进行分析对比。

分别对两类结构体系进行全桥稳定性分析，计算结果如表6-1所示。

从计算结果可以看出，钢管混凝土桥墩连续刚构的各阶稳定安全系数小于钢筋混凝土桥墩连续刚构，但两种结构成桥阶段的稳定安全系数均远大于4，结构稳定性较好。

3 结论

通过对比钢管混凝土桥墩连续刚构和钢筋混凝土桥墩连续刚构的地震作用效应、动力特性和稳定性，可以得出：

（1）采用钢管混凝土桥墩的连续刚构墩身地震内力响应明显小于采用钢筋混凝土桥墩的连续刚构墩身内力，结构的地震响应小。

（2）从各阶频率和周期来看钢管混凝土桥墩连续刚构的各阶频率略大于钢筋混凝土桥墩连续刚构，说明钢管混凝土桥墩刚度较小，对抗震有利。

（3）钢管混凝土桥墩连续刚构的桥墩较柔但其成桥阶段的稳定系数远大于4，结构稳定性较好。

（4）通过对比发现，钢管混凝土桥墩的抗震性能优于钢筋混凝土桥墩，与钢筋混凝土桥墩相比更适合于高烈度重山区大跨高墩连续刚构设计时采用。