大跨徑連續剛構橋單雙肢主墩靜動力性能分析

劉敏劍

廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507

連續剛構橋橋型簡潔明快，橋面視野開闊，行車視線好，設計、施工技術成熟，在國內外大跨度橋梁中應用廣泛。連續剛構橋的橋墩一般可采用單肢或雙肢墩。雙肢墩具有較大的順橋向抗彎和橫橋向抗扭剛度，且削峰效應可改善主梁墩頂受力；同時雙肢墩具有順橋向抗推剛度小的特點，可有效減小溫度、混凝土收縮徐變次內力和地震響應。因此，雙肢墩受到廣大橋梁設計工作者的青睞。但雙肢墩施工較為煩瑣，且抗船撞能力較弱；隨著墩高的增加，單肢空心墩柔性變大，將改善總體受力[1]。因此在墩高較高時，單肢空心墩也是可選的墩身形式。文章以某跨江大跨度連續剛構橋為例，分別對雙肢墩和單肢墩兩種橋墩方案進行建模計算，分析對比了兩種橋墩方案下結構的靜力及動力特性，對于類似項目具有一定的參考意義。

1 工程概況

某連續剛構橋跨徑布置為（85+150+85）m，其主橋立面圖如圖1所示。

圖1 主橋立面圖（單位：cm）

主梁采用單箱單室截面，箱梁頂寬16.5m，底寬8m；根部梁高9m，跨中梁高3.8m。底板厚度由根部1.0m漸變至0.32m，頂板厚度為0.32m。剛構橋一端連接橋臺，另一端連接過渡墩。該橋橋位處地震動峰值加速度為0.1g，反應譜特征周期為0.7s。

雙肢實心墩幾何參數的主要影響因素有橋梁主孔跨徑L、墩高H、雙壁凈距S和壁厚b，它們與結構靜力效應之間存在復雜的內在聯系。根據已建連續剛構橋設計資料，采用數理統計中的多元線性回歸擬合得到以下公式[2]：

結合我國橋梁的設計經驗，雙肢實心墩肢中距一般為墩高的1/5～1/4[3]，單肢空心墩厚度一般取肢中距的1/6～1/4。

綜上，同時考慮墩柱截面的靜動力強度，分別擬定單肢空心墩、雙肢實心墩尺寸，主墩主要尺寸表如表1所示。

表1 主墩主要尺寸表

2 模型建立

采用Midas軟件建立空間有限元模型進行計算，兩種橋墩形式的主橋有限元模型如圖2所示。該橋采用50年10%（E1工況）和50年2.5%（E2工況）2種超越概率地震動進行抗震驗算。要求橋墩、基礎等結構重要受力構件在E1工況下基本不發生損傷，結構保持在彈性范圍工作；在E2工況下局部可發生可修復的損傷，但要求地震發生后不需要修復仍可維持車輛的通行。

圖2 兩種橋墩形式的主橋有限元模型

3 靜力對比分析

3.1 施工階段

主墩關鍵截面對比分析：主墩在最大懸臂狀態階段為控制工況，除箱梁自身齒板不對稱重量外，計算同時考慮一下幾個不平衡荷載。

最后一個懸臂澆筑梁段不同步施工，一端滿載，一端半載；施工不平衡堆載，按3kN/m考慮；主梁及主墩承受順橋向及橫橋向風荷載。根據有限元計算，提取最大懸臂狀態下主墩關鍵截面的基本組合內力計算結果，如表2所示。兩種主墩橫橋向及順橋向截面均配置間距為15cm的雙層C32主筋。由表2可知，兩種主墩形式的橫橋向及順橋向承載能力均滿足規范要求。同時，雙肢墩在橫橋向及順橋向的安全儲備均優于單肢墩。

表2 最大懸臂施工階段主墩強度計算結果

提取最大懸臂狀態下主墩關鍵截面的頻遇組合內力計算結果，如表3所示。由表3可知，單肢墩及雙肢墩的橫橋向未出現裂縫，雙肢墩順橋向出現裂縫，寬度為0.08mm，單肢墩抗裂性能較好。

表3 最大懸臂施工階段主墩抗裂計算結果

3.2 成橋階段

（1）主梁關鍵截面內力對比分析。提取成橋階段主梁邊跨跨中、邊跨L/4、主墩墩頂、中跨L/4及中跨跨中等關鍵截面應力進行對比，如表4所示。由表4可知，由于雙肢墩對主梁墩頂的彎矩有明顯的削峰作用，降低了主墩墩頂負彎矩，增大了主梁頂緣壓應力。除主墩墩頂截面外，其余截面處主梁頂底緣應力變化均為超過5%。因此，主墩截面形式對主梁應力影響不大。

表4 成橋階段主梁關鍵截面應力結果 單位：MPa

（2）主墩關鍵截面內力對比分析。提取基本組合及頻遇組合下的主墩墩頂底關鍵截面內力進行對比驗算，如表5所示。由表5結果可知，兩種體系下主墩的強度及裂縫驗算均能滿足規范要求，但單肢墩強度富裕度比雙肢墩大，且在頻遇組合下，截面始終保持受壓狀態，不會產生裂縫，雙肢墩墩底及墩頂均產生裂縫。

表5 基本組合及頻遇組合主墩關鍵截面內力結果

4 動力分析

4.1 結構動力特性

分別對兩種主墩形式橋梁進行動力特征值分析和對比，兩種主墩形式自振頻率對比如表6所示。由表6可以得出，在兩種主墩方案下，除過渡墩外，主墩及主梁的振型序列不一致。單肢墩第4階主梁一階橫彎過渡墩參與度較高，周期大于雙肢墩的主梁一階橫彎周期。其余振型周期，雙肢墩均大于單肢墩，說明雙肢墩的縱向及橫向剛度均小于單肢墩。

表6 兩種主墩形式自振頻率對比

4.2 主墩受力

兩種主墩形式下主墩、過渡墩的動力響應結果如表7所示。

表7 兩種主墩形式下部結構受力及承載能力對比

由表7可知，兩種主墩方案下，主墩、過渡墩在E2地震作用下均能滿足墩身彈性狀態的性能目標。在縱向+豎向地震作用下，雙肢墩方案1#、2#主墩墩底均產生輕微損傷，而單肢墩方案只有2#主墩墩底產生輕微損傷。單肢墩方案受力性能更優。

5 結論

（1）與雙肢墩相比，單肢墩縱橫向抗彎剛度較小，但縱向抗推剛度較大。單肢空心墩材料用量更省，抗扭剛度較大，有利于抵抗施工中的扭矩作用。

（2）雙肢墩對主梁墩頂彎矩有明顯的削峰作用，增大了墩頂主梁頂緣壓應力。除主墩墩頂截面外，其余截面處主梁頂底緣應力變化均超過5%，主墩方案對主梁應力的影響不大。

（3）兩種主墩方案的上下部結構均能滿足靜力及抗震要求，但單肢墩方案受力性能更優。