高墩多跨梁桥抗震性能设计研究

1 工程背景梯贡2号大桥位于横断山西部的三江地区，大桥位于沿澜沧江上游，设计水位3 151.5 m。该桥的桥面宽度为11.0 m，桥梁全长为369.815 m，纵断面坡度为0.5 %，桥梁交角为120 °；墩台径向布置。桥面以下的主要承受构件为预应力混凝土T形梁，其简支于双圆柱形桥墩上。因部分桥墩位于澜沧江中，为减少桥墩阻水面积，确保行洪安全，水中桥墩的上部结构及盖梁采用斜交120 °，墩柱以下结构采用斜交135 °，墩台基础类型选用钻孔灌注桩。桥梁基础施工应尽量选择在旱季进行，且避免在降水较为集中、降雨量大的夏季进行施工，以减少或避免由于雨水浸泡而造成桥梁持力层强度的降低。因部分桥墩位于不稳定边坡处，桥墩基础施工时应做好边坡防护工作。2 计算模型通过软件将墩梁的计算模型划分为169个梁单元。在有限元计算中，墩梁采用刚性连接和弹性连接两种连接方式，桩底采取一般支护固结。各桥墩的高度见表1，墩梁的有限元模型计算如图1所示。表1 各桥墩高度

m图1 有限元计算模型示意为了研究该桥墩和桥梁的结构动力特性，对振动频率和振动周期进行研究。并通过有限元模型分析得到桥梁的前10阶模态，见表2。表2 高墩桥梁自振特性由表2可知，该桥基频为0.35 Hz，小于正常墩高的桥梁基频。原因是该桥具有较大的柔度，结构刚度小于普通桥梁。结果表明，在设计中应通过加强高墩的纵向推力刚度，降低伸缩缝的纵向位移和破坏概率。为便于对墩梁之间的合理连接进行研究，建立了不同连接方式下的另一个计算模型，见表3。表3 桥台连接桥墩及主梁结构自振特性从表2和表3可得出，由于连接方式的改变，桥梁的模态频率、自振周期和模态特性都有明显的变化，频率明显降低，对结构不利。前几阶振动主要是主墩的振动，振动频率很小，说明在荷载激励下，容易激起桥墩的振动，不利于承载力和抗震性能。3 地震时程响应分析根据JTG/T B 02–01—2008《公路桥梁抗震设计细则》和JTGB 02—2013《公路工程抗震规范》，判定该桥所在区域的地震烈度为7度，反应谱周期为0.35 s，环境类别为Ⅱ类，地震动峰值加速度为0.1 g。因此本桥地震设计类别采用的是Ⅳ类，设计烈度为8度。通过直接积分法计算E1的地震作用，并通过线弹性时程分析方法进行分析。通过输入多个地震波激励方向，即沿桥向、横向和竖向，分析研究了地震运动的多维性。其中前两种方向属于水平地震波，后两种方向属于垂直地震波。我国现行桥梁设计规范主要采用的反应谱形式为竖向地震加速度反应谱，该反应谱通过将水平设计加速度反应谱与谱比函数R相乘计算得到。图2为桥梁顶端墩梁固结位移曲线，图3为桥墩支撑连接位移曲线。图2 桥梁顶端墩梁固结位移曲线（a）沿桥位移；（b）横向位移图3 桥墩支撑连接位移曲线（a）沿桥位移；（b）横向位移从图2和图3可得出，在施加地震荷载作用下，墩梁通过支座连接与墩梁固结相比，沿桥端的位移有显著增加。从梁端自振频率和位移的变化来看，高墩桥梁宜采用多墩多主梁的加固形式，以提高其整体刚度和抗震性能。地震荷载作用下桥墩下底截面内力峰值见表4。表4 地震荷载作用下桥墩下底截面内力峰值从表4可见，桥墩内力变化随着地震荷载的改变表现出以下特点：桥梁的墩高对地震荷载的响应存在显著差异，而且高墩与低墩的长细比和刚度也有所不同。在不同的地震荷载作用下计算发现，低墩应承担的作用力比例较大，表现出较强的内力响应。因此，下墩与主梁之间的连接为支座连接，其余为加固连接，以传递地震作用下下墩的荷载，使内力分布均匀。4 桥梁抗震设计结合山区的实际地质构造，根据相应的规范，本合同段路线地震动峰值加速度值采用0.20 g，地震基本烈度选择为Ⅷ度，反应谱特征周期在0.40~0.45 s，桥梁抗震设防类别采用B类。根据基本桥梁抗震规范规定中要求的桥梁抗震设防目标应为：在小地震荷载作用下，没有受到地震破坏的不进行修复工作仍可继续使用。4.1 桥梁防脱落设计当活动断裂带的水平错动过大，纵向挡块的限位失去作用时，为防止落梁，需增加帽梁纵向宽度，帽梁纵向宽度的设置原则为：当发生最大水平错位时，钢箱梁支点中心仍位于帽梁范围以内。根据地震安评报告，本桥跨越断裂带区域最大水平错位为1.5 m，本桥钢箱梁支座中心距离过渡墩帽梁边缘为1.57 m，可满足最大水平错位的要求。4.2 桥梁耐久性设计梯贡2号大桥的设计使用年龄为100年。大桥由钢筋混凝土桩基、桥墩、混凝土结构梁体、钢结构梁体、支座、伸缩缝等多种构件组成，不同构件的使用寿命周期不一致。其中主体桥梁、桥墩的钢混结构、混凝土结构的设计使用年龄均为100年，不可更换。此外，要维持其他次级结构使用功能也应具有相应的使用年龄，必须采用最高标准进行设计（表5）。表5 桥梁各构件设计使用年限

年桥梁的不同构件根据所处区域的地质构造条件不同，在结合实际情况的基础上，根据相应的桥梁设计规范，设计不同耐久性方案。基于不同环境、地质条件的梯贡2号大桥耐久性设计方案见表6。表6 大桥不同构件耐久性防腐措施5 结论通过研究高强度山区高墩多跨梁桥，通过有限元模型建立各结构的有限元模型，模拟各种构件的荷载和响应，同时采取线性时程分析法，分析高桥墩连续多跨梁桥的地震反应特点，得出以下结论。（1）在地震荷载的作用下，桥墩底部截面的横向力要大于沿桥截面的横向力，这与结构第一模态的振动响应一致。设计中采用的空心墩截面结构合理，桥梁横向刚度大于桥梁纵向刚度，能够满足结构受力和抗震设计的需要。（2）在地震荷载作用下，高桥墩连续多跨梁的主要振动方式为平面外振动。截面刚度和沿桥向刚度存在差异，按受力考虑结构抗