钢管混凝土格构式高墩的地震响应分析

何 天 舟

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

钢管混凝土格构式高墩的地震响应分析

何 天 舟

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

介绍了钢管混凝土桥墩的优越性，通过建立某钢管混凝土格构式超高墩矮塔斜拉桥模型，对该桥进行了地震时程分析，得出了一些有应用价值的结论，为类似桥梁的抗震设计提供了依据。

桥墩，钢管混凝土，地震作用，时程分析法

0 引言

本文桥梁因为需要翻越一个巨大黄土深壑，为将桥墩置于缓坡稳定地段，不可避免地需要采用高墩大跨桥梁结构。调查表明，在已建成及正在设计规划中的高等级公路中，墩高超过40 m的高墩桥梁占桥梁总数的40%以上[1]。从桥梁结构的经济性和可行性来看，传统的钢管混凝土结构已很难解决深大沟壑的跨越问题。近些年逐渐发展的钢管混凝土式桥墩因其优越的综合特性而受到关注。钢管混凝土是一种在钢管中填充混凝土，钢管及其核心混凝土共同承受外荷载作用的构件形式[2]。钢管混凝土的工作实质在于钢管及其核心混凝土间的相互作用和协同互补。钢管对核心混凝土的约束作用，使混凝土材料强度得以提高，塑性和韧性性能大为改善。同时，混凝土的存在可以延缓或阻止钢管发生内凹或外凸的局部屈曲[3]。钢管混凝土格构式应用于桥墩的应用实例还较少，故有必要对这一新型结构的动力特性进行研究。

1 钢管混凝土桥墩简介

钢管混凝土结构较多应用于拱桥结构，将钢管混凝土结构用作桥梁的墩柱,是一个创新的设计,其优越性主要表现在:

1)能够充分发挥钢管混凝土结构抗压强度大的优势;2)施工便捷,速度快,钢管本身既是承重结构又是外模,且具有工业化快速安装施工的优势;3)经济效益显著。同钢筋混凝土与钢结构相比,在保持自重相近和承载力相同的条件下,可节省钢材约50%，自重大大减小，既能够减小结构尺寸,同时又能取得轻盈美观的视觉效果;4)延性与耗能特性良好[4]。

2 地震反应分析方法

结构地震反应分析分为两种：一种是以地震运动为确定过程的确定性地震反应分析，另一种是以地震运动为随机过程的概率性地震反应分析。目前概率性地震反应分析方法还不成熟，世界各国的桥梁抗震设计规范中普遍采用确定性地震反应分析方法。在确定性的地震反应分析中，是把研究的桥梁结构作为一个系统，在采用有限元法时，即把结构处理为若干离散单元在有限个节点处连接起来的一个集合体，而把地面运动看成是对系统的输入，系统的输出即是地震反应。结构地震反应分析方法的演变依赖于地震理论的发展。地震理论也称地震作用理论，它研究地震时地面运动对结构产生的动态效应。随着地震作用理论的演变，产生了三种确定性地震反应分析的方法，即静力法，反应谱法和动态时程分析法[5]。每一种方法都有自身的使用限制条件，对于本桥大跨高墩的工程背景，采用动态时程分析方法对桥墩的进行分析，能够更准确的分析出控制截面的内力情况。

3 工程概况及计算模型

某桥桥高170 m左右，主桥孔跨布置为(72+174+324+174+72)m双塔双索面钢桁梁矮塔斜拉桥，斜拉索扇形布置，梁上索距12 m，塔上索距2.0 m；桥面全宽15 m，该斜拉桥采用墩塔梁固结体系。桥墩采用钢管混凝土墩。采用midas-Civil桥梁专用有限元软件对全桥建立计算模型。用梁单元模拟钢管混凝土桥墩和索塔，采用桁架单元模拟斜拉索。为了叙述方便，左侧的钢管混凝土桥墩为1号墩，右侧的为2号墩(如图1，图2所示)。

4 地震响应分析实现方法

使用SIMQKE软件人工拟合一条适合于本桥场地特性等参数的地震加速度时程曲线，持续时间20 s，时间间隔0.02 s，峰值加速度0.15g。规范要求对于使用反应谱逆向拟合的时程曲线，如果使用三条的话，取其中的最大反应曲线进行分析。故罗列的即最大反应时程曲线。第一部分内容为研究竖向地震作用对于钢管混凝土桥墩控制界面的内力影响，故分两种工况对比分析，工况一：竖向与纵向同时输入地震作用，工况二：只沿纵向输入地震作用。由于本桥墩为格构式桥墩，每一个桥墩有四个柱肢，当地震输入角度不同时，相对于单柱墩来讲会产生不同的地震响应。故第二部分内容为研究不同地震动输入角度对桥墩的影响。分别设置沿0°(即纵向输入)，30°，45°，60°，75°，90°(即横桥向输入)，结果中提取30°和60°两个内力变化最大的柱肢结果。即最不利输入方向下的结果，分析不同输入角度对桥墩地震响应。

5 结果及分析

1号与2号墩构造形式与位置分布完全对称，经验证其内力变化情况与趋势相同，限于篇幅，仅罗列1号墩的结果。而墩顶作为重要控制截面，图3，图4为不同工况下截面的控制内力：

1)竖向和纵向同时激励与单独纵向激励下1号墩的内力时程曲线。

由图3，图4可知在考虑竖向地震的组合下，比不考虑竖向输入的情况下，1号墩的墩顶剪力与弯矩分别增大了18%，27%，通常竖向地震动对墩柱的轴力影响较大，而弯矩和剪力由水平向地震输入控制，但对于本桥这一高墩情况，弯矩和剪力都增幅较大。可见竖向地震的参与对结构的影响是显著的，故在进行本类桥梁的地震响应分析时有必要考虑竖向地震动的组合影响。

2)不同输入角度下控制截面的内力时程曲线。

a.30°输入方向作用的结果。

b.60°输入方向作用的结果。

由图5～图8可以看到，30°对于1号墩的墩顶剪力和弯矩增幅，分别为16%，13%，相比于30°方向，60°方向的地震输入对墩的内力影响要激烈的多，超过30%以上，影响是显著的。原因可能是60°方向的地震输入最大程度的激发了桥梁的横向振型，使桥墩内力发生较大变化。可见在这种多柱肢的钢管混凝土高墩，考虑不同角度的地震输入是很必要的，确定出一个最不利的地震输入方向，然后再进行地震输入组合，这样操作对于地震响应分析就比较完整且全面。

6 结语

1)建立了钢管混凝土格构式超高墩矮塔斜拉桥的分析计算模型，为今后类似桥梁的计算工作奠定了基础。

2)钢管混凝土格构式超高墩虽然整体属于柔性结构，但考虑到钢管对混凝土的套箍作用，使混凝土的极限应力大大增强，抗震性能优越。

3)竖向地震的作用在钢管混凝土桥墩的动力分析中需要考虑，其对桥墩控制截面的内力影响是显著的，故在进行后期验算时需要同时考虑带有竖向地震方向的组合。

4)对于弯桥通常需要进行不同地震输入方向的地震响应分析，但对于钢管混凝土格构式桥墩，因为其柱肢较多，故建议也进行不利地震输入方向的计算。本文的结果是地震偏角对墩部的各个柱肢控制截面内力影响比较大。但需根据具体布置形式分别验算。最后组合各个地震响应荷载工况，计算内力最大的柱肢截面的控制内力。

5)对钢管混凝土格构桥墩进行了部分地震响应分析，为以后的工程实例提供了一个参考。

[1] 占玉林.钢管混凝土组合格构柱高墩大跨连续钢构桥非线性研究[J].四川建筑科学研究，2009，35(6)：38-41.

[2] 吴庆雄，黄育凡，陈宝春.钢管混凝土组合桁架——格构墩轻型桥梁非线性研究[J].工程力学，2015，32(12)：90-98.

[3] 李 莉.超长钢管混凝土格构柱极限承载力试验研究[J].建筑结构，2015，43(sup)：488-492.

[4] 欧智菁.钢管混凝土格构柱发展和研究[J].福州大学学报，2008，36(4)：585-591.

[5] 陈敏海.钢管混凝土高墩大跨连续钢构桥地震响应分析[D].长沙:长沙理工大学，2010.

On earthquake response analysis of concrete filled steel tube lattice high pier

He Tianzhou

(CollegeofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

The paper introduces the advantages of the concrete filled steel tube bridge pier, undertakes the seismic time-history analysis of the bridge by establishing some concrete filled steel tube lattice ultra-high pier low-pylon cable-stayed bridge model, and achieves valuable conclusion, so as to provide some reference for the seismic design for similar bridges.

bridge pier, steel tube concrete, seismic role, time-history analysis method

1009-6825(2017)05-0190-02

2016-12-01

何天舟(1990- )，男，在读硕士

U442.55

A