桥墩高差对大跨度预应力混凝土连续刚构桥地震响应的影响

韩路军

（江苏省交通科学研究院股份有限公司，南京 210017）

桥墩高差对大跨度预应力混凝土连续刚构桥地震响应的影响

韩路军

（江苏省交通科学研究院股份有限公司，南京 210017）

以某大跨度预应力混凝土连续刚构铁路桥为工程背景，研究了桥墩高差对大跨度预应力混凝土连续刚构桥地震响应的影响。研究表明：随着墩高高差的增大，主梁各关键截面位置和桥墩墩顶处纵桥向位移减小，当2#墩墩高在41.7m时，上部结构和下部结构各截面位移值和内力值较其他墩高变化很明显。研究结果可为此类大跨度预应力混凝土连续刚构桥梁的抗震设计提供参考。

连续刚构 桥墩高差 反应谱分析 地震响应

随着各国桥梁工程的迅速发展，桥墩越建越高，在地震频繁发生的背景下，桥梁的抗震性能得到了学者越来越多的重视。但在实际工程中，由于场地限制，主墩高度往往存在差异，因此关注桥墩高差对连续刚构地震响应的影响有现实意义[1,2]。

为了查明桥墩高差变化对其地震响应的影响程度，本文以某大跨度预应力混凝土连续刚构铁路桥为对象，研究了不同的桥墩高差对结构地震响应的影响，为此类桥梁在今后的抗震设计方面提供一定的参考依据。

1. 工程概况及有限元建模

本文采用某大跨度预应力混凝土连续刚构铁路桥为研究对象，主跨结构形式为96m+132m+96m，采用单箱单室截面箱梁结构，桥墩采用混凝土矩形空心墩，纵桥向宽度均为6m，横桥向采用变宽设计，顶宽7.3m，内位坡均按一定的线性变化， 1号和2号墩高均为49.7m。本文以49.7m墩不变，只将2号桥墩高度改变，改变幅度为降低0%、4%、8%、12%、16%，墩高分别对应49.7m、47.7m、45.7m、43.7m、41.7m，运用Midas/civil软件建立模型1-5来研究桥墩高差对其地震响应的影响，计算模型1见图1。

图1 大跨度连续刚构桥梁有限元模型

2. 地震反应谱及工况的确定

依据《中国地震动参数区划图》和《铁路工程抗震设计规范》,本研究对象地处抗震设防烈度为Ⅶ度（0.15g）,场地类别为Ⅱ类,设计特征周期为0.45s，阻尼比0.05,采用多遇地震作用下设计反应谱作为地震动输入，得到设计反应谱曲线如图2。在计算分析过程中，选取结构的前120阶振型，采用CQC法进行振型叠加计算[3]，地震动纵、横、竖三个方向的振型参与质量之和均在95%以上，具有较高的计算精度。

图2 反应谱函数曲线

当结构自振周期大于0.3s时竖向设计加速度反应谱是水平向设计加速度反应谱的0.5倍[4]，经计算本桥自振周期大于0.3s。故本文竖向地震作用采用水平地震基本加速度的65%进行动力计算[5]，建立了地震荷载工况是: 1.0纵向+1.0横向+0.65竖向。

3. 桥墩高差对连续刚构桥上部结构的影响

3.1 桥墩高差对上部结构位移的影响

各图中上部结构截面位置编号分别代表：1为左边跨跨中、2为左悬臂端根部、3为主跨跨中、4为右悬臂端根部、5为右边跨跨中。上部结构地震反应谱位移分析结果见图3-5。

图3 纵桥向位移

图4 横桥向位移

图5 竖向位移

由图 3 知，随着墩高高差的增大，主梁各关键截面位置处纵桥向位移减小；由图 4 知，左悬臂端根部和右边跨跨中横桥向位移随墩高高差的增大而增大，左边跨跨中、主跨跨中和右悬臂端根部位移变化没明显规律。低墩墩高由49.7m变化到43.7m时，主梁各截面横桥向位移变化不明显；由图 5 知，左边跨中和右边跨跨中竖向位移值较大，并随墩高高差的增大左边跨中和右边跨跨中竖向位移减小，2#墩墩高由49.7m变化到43.7m时，主梁各截面竖向位移变化不明显。

1#高墩侧主梁截面纵桥向位移与2#低墩侧主梁截面纵桥向、横桥向和竖向位移相差不大，说明墩高高差改变对本桥主梁截面的纵桥向、横桥向和竖向位移不对称性影响不大。当墩高在41.7m主梁各截面位移值较其他墩高变化很明显。

3.2 桥墩高差对上部结构内力的影响

上部结构地震反应谱内力分析结果见图6-8。

图 6 知，2#墩墩高由49.7m变化到43.7m时，即墩高高差由0m变化到4m后，主梁各关键截面处轴力增大，但轴力变化幅度并不明显，当2#墩墩高达到41.7m时主梁各截面处轴力突然变小。由图 7 知，随着墩高高差的增大，主梁各关键截面位置处面内弯矩My减小，但2#墩墩高在49.7m到43.7m变化时面内弯矩My变化幅度并不明显。由图 8知，随着墩高高差的增大，主梁右边跨中和悬臂端根部截面位置处面外弯矩Mz增大，其余截面位置处面外

图6 轴力图

图7 面内弯矩图

图8 面内弯矩图

弯矩Mz减小，但2#墩墩高在49.7m到43.7m变化时面外弯矩变化幅度都不明显。

1#高墩侧主梁截面纵桥向位移与2#低墩侧主梁截面轴力、面内弯矩My和面外弯矩Mz相差不大，说明墩高高差改变对本桥主梁截面的轴力、面内弯矩My和面外弯矩Mz不对称性影响不大。当墩高在41.7m主梁各截面内力值较其他墩高变化很明显。

4. 桥墩高差对连续刚构桥下部结构的影响4.1 桥墩高差对下部结构位移的影响

位移图中下部结构截面位置编号分别代表：1为1#墩顶、2为2#墩顶。下部结构地震反应谱位移分析结果见图9-11。

图9 纵桥向位移

图10 横桥向位移

图11 竖向位移

由图 9 知，随着墩高高差的增大，桥墩墩顶截面位置处纵桥向位移减小。由图 10 知，随着墩高高差的增大，1#桥墩墩顶截面位置处横桥向位移增大， 2#桥墩墩顶截面位置处横桥向位移变化规律不明显，基本上呈先减小后增大的趋势，当墩高在41.7m桥墩墩顶横桥向位移值较其他墩高变化很明显。由图 11 知，竖向位移很小，可不考虑桥墩高差变化对桥墩竖向位移的影响。

对称刚构桥的墩顶位移基本相同，而不对称刚构桥高墩墩顶的顺桥向和横桥向位移均大于矮墩，这是由于随着墩高高差的增大，高墩与矮墩的刚度差越大，高墩相对于矮墩将会更柔。随着墩高高差的增大，桥墩墩顶截面的纵桥向和横桥向位移相差越大，桥墩截面位置处纵桥向和横桥向位移不对称性越明显，说明墩高增大，减小了桥梁的纵桥向和横桥向刚度，并在很大程度上降低了整个结构纵桥向和横桥向刚度。

4．2 桥墩高差对上部结构内力的影响

内力图中下部结构截面位置编号分别代表：1为1#墩顶、2为2#墩顶、3为1#墩底、4为2#墩底。下部结构地震反应谱内力分析结果见图12-14。

由图 12 知，低墩墩高由49.7m变化到43.7m时， 1#桥墩墩顶和墩底轴力截面位置处轴力增大，2#桥墩墩顶和墩底轴力截面位置处轴力减小。当低墩墩高达到41.7m时桥墩墩顶和墩底截面处轴力急剧变小。由图 13 知，随着墩高高差的增大，桥墩墩顶和墩底面内弯矩My都有减小趋势， 由图 14 知，随着墩高高差的增大，1#桥墩墩顶和墩底和2#桥墩墩顶截面位置处面外弯矩Mz基本上呈增大的趋势，墩高由49.7m变化到43.7m时，2#桥墩墩底截面面外弯矩Mz减小。

随着墩高高差的增大，桥墩各截面处的轴力、面内弯矩My和面外弯矩Mz相差越大，桥墩各截面位置处内力不对称性越明显。但2#墩墩高由49.7m变化到43.7m时，桥墩各截面轴力、面内弯矩My和面外弯矩Mz变化幅度不明显。当墩高在41.7m主梁各截面内力值较其他墩高变化很明显

图12 轴力图

图13 面内弯矩图

图14 面内弯矩图

5 结论

通过对此大跨度预应力混凝土连续刚构铁路桥实例的研究分析表明：

（1）对连续刚构桥上部结构来说：随着墩高高差的增大，上部结构各关键截面位置处纵桥向位移减小，横桥向位移和竖向位移并无明显的变化规律。2#墩墩高由49.7m变化到43.7m时，主梁各截面内力值按一定的规律变化。当2#墩墩高在41.7m时，上部结构各截面位移值和内力值较其他墩高变化很明显。墩高高差改变对上部结构截面位移和内力值的不对称性影响不大。

（2）对连续刚构桥下部结构来说：随着墩高高差的增大，桥墩墩顶截面位置处纵桥向位移减小，1#桥墩墩顶截面位置处横桥向位移增大，2#桥墩墩顶截面位置处横桥向位移变化复杂，随着墩高高差的增大，桥墩墩顶和墩底面内弯矩My都减小，轴力和面外弯矩Mz值变化无明显规律。当2#墩墩高在41.7m时，下部结构各截面位移值和内力值较其他墩高变化很明显。墩高高差改变对上部结构截面位移和内力值的不对称性影响较大。

[1]杨雅勋，李子春.不同高墩形式下连续刚构桥动力性能分析[J].铁道建筑，2010(7):33-36.

[2]王心顺,舒春生. 非对称高墩大跨曲线连续刚构桥地震反应分析[J].铁道标准设计，2008(6):55-57.

[3]庞元志.大跨铁路连续刚构桥地震力分析[J]. 铁道建筑技术. 2010,(增): 41-43

[4]中华人民共和国行业标准. JTG/T B02-01-2008公路桥梁抗震设计细则[S].人民交通出版社. 2008

[5]中华人民共和国国家标准. GB 50111-2006铁路工程抗震设计规范[S]. 中国计划出版社. 2006

Influence of Elevation Difference of Pier on Seismic Response of Long-Span Continuous Pre-Stressed Concrete Rigid-Frame Bridges

Han lujun

（Jiang Su Transportation Research Institute Co., Ltd Nanjing 210017, China）

With the long-span continuous pre-stressed concrete rigid-frame bridges as the engineering back

ground, the influence of elevation difference of pier on seismic response of long-span continuous pre-stressed concrete rigid-frame bridges is researched. The result of our research shows that the greater elevation difference of pier is, the smaller displacement of each key section of girder and top location of bridge pier is. Compared with other high pier, the cross section displacement and internal force value of the upper structure and lower structure change obviously at 41.7 m high of 2 # pier. The research results may be applied to earthquake resistance design of the long-span continuous pre-stressed concrete rigid-frame bridge.

continuous rigid-frame bridge elevation difference of pier response spectrum method seismic response

TU448

：A

1007-6344（2015）12-0309-02