大跨度连续刚构桥高墩的地震响应分析

赵强宁晓骏

（1.云南交通职业技术学院 昆明 650500 2.昆明理工大学 昆明 650500）

0 引言

地震作为一种严重的自然灾害，对人类的威胁随着人类物质文明的不断积累而越来越大。桥梁作为交通枢纽工程在发展国名经济中起到了举足轻重的作用，提高桥梁的抗震能力是我国公路交通建设中所面临的重要课题。本文依据《公路桥梁设计抗震细则》（JTJ/TB02-01—2008），运用有限元软件MIDASCIVIL建立了某高墩连续刚构桥的有限元模型，采用了动力反应谱分析法对该桥进行了抗震性能分析。

1 工程概况

本桥位于昆明市某公路，跨径为396m，主桥采用103+190+103m单箱单室预应力混凝土变截面连续刚构桥，下部结构采用双薄壁墩，钻孔桩基础。桥梁上部主梁截面为单箱单室箱型截面，箱梁顶板宽12m，底板宽6.5m；下部2主墩为高度与截面均相同的双肢薄壁墩，墩高104m，双肢薄壁截面肢中心距10.5m，纵桥向单肢宽3.5m，壁厚0.6m，横桥向单肢宽8.5m，壁厚1.0m，墩身采用C50混凝土。

图1 连续刚构桥有限元模型

2 计算参数

2.1 永久荷载

（1）一期荷载：混凝土容重取26kN/m3。

（2）二期荷载：包括桥面铺装，防撞栏等均以均布荷载计入，合计均布荷载为71.7kN/m。

2.2 偶然荷载

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）、《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001），桥位区域地震动反映谱特征周期为0.4S，设计基本地震加速度值为0.2g，对应地震基本烈度为Ⅶ度。

根据《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB021-01—2008）9.3.6规定，混凝土桥梁，拱桥的阻尼比不宜大于0.05，因此在这里取阻尼比为0.05。按抗震规范9.3.1条，本次抗震计算采用对振型反应谱法进行计算。水平设计加速度反应谱由下式确定：

式中：Tg-特征周期；T-结构自振周期；Smax-水平设计加速度反应谱最大值；Ci-抗震重要系数取1.0；Cg-场地系数取1.0；Cd-阻尼调整系数取1.0；A-水平向设计基本地震加速度峰值。

3 模型建立

运用MIDASCIVIL2012建立全桥有限元模型，对结构进行加速度反应谱分析。考虑结构抵抗顺桥向和横桥向地震作用的影响，模态组合采用CQC法。同时根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTGD63—2007）规定，利用土弹簧模拟桩和土之间相互作用，尽可能真实的模拟桩基础，全桥模型如图2所示。

图2 连续刚构桥有限元模型

4 结果分析

4.1 实心墩和空心墩的对比

对模型中的桥墩分别采用图3两种截面形式，一种为实心墩，一种为空心墩。然后对模型进行地震响应下的反应谱分析，结果如表1所示。

表1中可以看到当桥墩分别采用外部尺寸相同的实心墩和空心墩时，空心墩的基频，反应谱加速度，墩顶的位移和墩底的内力均小于实心墩，由此可见，在地震的作用下，空心墩比实心墩具有更好的抗震效果。并且空心墩具有省材料，自重轻等特点。

图3 桥墩截面形式

表1 实心墩和空心墩的地震响应

4.2 桥墩采用不同截面尺寸的对比

对模型中的桥墩分别采用8.0*3.58.0*4.08.0*4.5和8.0*5.0四种截面尺寸，在地震响应下的结果如图4所示。

图4 桥梁地震下响应随桥墩截面尺寸变化情况

由图4中可以看出，随着桥墩截面尺寸增大，墩顶横桥向位移几乎没有变化，顺桥向位移墩顶位移值虽然会减小，但是位移变化并不明显；同时桥墩截面尺寸越大，桥梁的刚度就越大，基频也越大，动力反应谱加速度越大，而且加大桥墩的截面尺寸还会使得地震响应下墩底的内力变大。所以从抗震设计的角度而言，桥墩的截面尺寸加大，会对抗震不利。

4.3 桥墩截面形式的对比

对模型分别采用8.0*7.0的单矩形墩，直径6.16m的圆形柱式墩和8.0*3.5的矩形双薄壁墩，三种截面形式的面积都相等，在地震响应下的分析结果如表2所示。

表2 不同桥墩截面形式下的地震响应

由表2中结果可以看出在三种截面形式中单矩形墩相比双薄壁墩而言，基频较大，在地震响应下的反应谱加速度更大，墩底的内力也更大，所以双薄壁墩比单矩形墩具有更好的抗震性能，而相比圆形墩而言，矩形墩在地震响应下反应谱加速度偏小一点，墩顶位移和墩底内力相差不大。

5 结论

通过对该刚构桥的地震响应分析可以得出以下结论：

（1）在满足结构静力承载能力的设计情况下，空心墩相对于实心墩基频、反应谱加速度、墩顶的位移和墩底的内力均小，有利于抗震。

（2）在刚构桥梁结构设计中，高墩的截面形式和尺寸应该根据场地实际条件和连续刚构本身特性合理选择。从抗震设计方面考虑，截面为矩形双薄壁墩相对于矩形实心墩和圆柱式墩更具有抗震效果；而且桥墩的截面尺寸越大，桥梁的刚度就会越大，桥墩的地震内力越大，对结构的抗震更不利。在桥梁设计时应根据具体的地质环境条件，同时综合考虑经济因素及安全因素选择恰当的抗震措施，就能尽量减低桥梁震害的影响。

（3）在连续刚构高墩桥梁的抗震设计中，应加强桥墩的延性抗震的理念，充分发挥延性在桥梁中的重要作用，选择合适的桥墩刚度，减少地震对桥梁的影响。但同时也应该考虑桥梁在地震响应下结构位移的要求。