总第２６５期 ２０１４年第４期 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 交通科技 Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２６５ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１４ ＤＯＩ １０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７５７０．２０１４．０４．００５ 高墩大跨径连续刚构桥双肢墩系梁 设置道数与地震响应关系分析 饶毅刚 （贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 ５５０００８） 摘 要 为了研究系梁设置道数对大跨双肢薄壁高墩连续刚构桥自振特性及地震响应的影响，文 中以清水江大桥为背景，利用ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ程序，建立了空间有限元仿真分析模型，分析了系梁的 道数对结构自振特性的影响，通过反应谱法讨论了在不同系梁道数下桥梁结构的地震响应规律。 关键词 大跨连续刚构桥 双肢薄壁高墩 系梁道数 反应谱法 地震响应 高墩大跨径连续刚构桥是山区高速公路中经 常采用的经济适用桥型，其下部结构通常采用双 过多或可多、可少等单方面考虑问题现象，未能兼 顾结构正常受力和抗震这两方面的需要。本文主 要从有利于抗震的角度出发，以实际桥梁工程为 背景，经过模拟地震作用建模分析，提出双肢墩系 梁合理设置的建议，以对今后类似桥梁设计提供 一肢薄壁墩。由于桥墩高，为了确保高墩的压杆稳 定性，需要设置系梁。目前系梁基本上是为满足 持久状况和施工过程的各项计算要求而设置，一 般未从抗震的角度考虑系梁的设置，出现了设置 收稿日期：２０１４—０４—０９ 定的借鉴。 参考文献 ［１］ 王玮瑶，李生智，陈科昌．异型系杆拱桥［Ｊ］．中国公 路学报，１９９６（３）：４５—５０． ［２］ 李文勃．结合梁桥面系异形钢箱拱肋系杆拱桥设计 ＦＪ］．城市道桥与防洪，２００９（７）：７８—８４． 工业大学学报，２００５（８）：６８—７１． －Ｉ４］ 李乔，李丽．异型拱桥结构内力分析［Ｊ］．公路交 通科技，２００１（２）：３１—３５． ［５］ 申永刚，项贻强，言明忠，等．设有纵向连杆的异型 拱桥受力性能分析ｌ－Ｊ］．中国市政工程，２００７（１０）： 】８—２Ｏ． ［３］ 肖泽荣．钢管混凝土异型拱桥设计探讨ＦＪ］．哈尔滨 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ Ｓｐｅｃｉａｌ。ｓｈａｐｅｄ Ｔｉｅｄ Ａｒｃｈ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈｏｕｔ Ｗｉｎｄ Ｂｒａｃｉｎｇ Ｘｉｏｎｇ Ｌｉｐｅｎｇ （Ｗｕｈａｎ Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓａｅｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００２３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａ ｓｐｅｃｉａｌ—ｓｈａｐｅｄ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈｏｕｔ ｗｉｎｄ ｂｒａｃｉｎｇ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｉｔｓ ｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｄｅｔａｉｌｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｉｎ ｂｏｔｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｓｔａｇｅｓ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｎａｌｙｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ ｒｅ— ｓｕｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ａｓｙｍｍｅｔｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｙｍｍｅｔｒｙ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｂｅｈａｖ— ｉｏｒ。ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ａｒｃｈ ｒｉｂｓ ｍａｉｎｌｙ ｈａｓ ａｎ”Ｓ”ｓｈａｐｅ．Ｆｏｒ ａ ｒｉｇｉｄ ｔｉｅ ａｎｄ ｒｉｇｉｄ ａｒｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｂｒｉｄｇｅ，ｏｕｔ—ｐｌａｎｅ ｂｕｃｋｌｉｎｇ ｏｃｃｕｒｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｂｉｇ ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｆｌｏｏｒ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｉａｌ—ｓｈａｐｅｄ ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ；ｔｉｅｄ—ａｒｃｈ ｂｒｉｄｇｅ；ｓｔｅｅｌ ｂｏｘ ａｒｃｈ ｒｉｂｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔａ— ｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ １４ 饶毅刚：高墩大跨径连续刚构桥双肢墩系梁设置道数与地震响应关系分析 ２０１４年第４期 １ 工程概况 边界条件，其中主梁和桥墩采用三维空间梁单元 清水江大桥位于贵州省余庆至凯里高速公路 上，其主桥为３跨预应力混凝土弯连续刚构，跨径 布置为８１ ｉｎ＋１５０ ｍ＋８１ ｍ。上部箱梁为变截面 单箱单室断面，箱顶宽ｌ１．２５ ｒｆｌ，底宽６．５ ｍ。墩 梁结合处梁高为９．２ ｍ，现浇段和合龙段梁高均 为３．４ ｍ，其间梁底下缘曲线按ｉ．８次方抛物线 变化。主墩纵向由双肢薄壁墩组成，薄壁墩为矩 形空心截面，横桥向７．５ ＩＴＩ，顺桥向３．０ ｍ，２片墩 间净距为５．０ ｍ。双肢薄壁墩之间设一道永久系 梁，用以加强桥墩的稳定性，墩身上部端与箱梁０ 号梁段固接，下部端与承台固接，两桥墩墩高分别 为８８ ｍ和８１ ｍ。桩基采用直径２．２ ＩＴＩ的钻孔灌 来模拟，每个节点有６个自由度。规定主梁两端 头连线弦线为Ｘ轴（顺桥向），与之垂直的平面内 的轴为ｙ轴（横桥向），桥梁的竖向为ｚ轴。主梁 Ｃ５５混凝土的计算弹性模量为 为３５．５ ＧＰａ， 桥墩Ｃ５ｏ混凝土的计算弹性模量Ｅ 为３４．５ ＧＰａ。２边墩引桥处约束竖向位移（Ｕ ）、横桥向 位移（Ｕ ）和扭转位移（ＲＯＴ ），墩底与承台固接， 桥墩与梁固结处处理为刚性连接 训。清水江大 桥有限元分析模型见图２。 注嵌岩桩。主梁采用Ｃ５５混凝土，桥墩的混凝土 强度等级为Ｃ５０。见图１。 图２清水江大桥有限元模型 ｒ 选用大型通用有限元程序ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ进 行计算，模型的建立着重模拟结构的刚度、质量和 ３ 系梁道数影响分析 不改变清水江大桥的结构尺寸，取系梁道数 为０，１，２，３，将它们沿墩高均匀布置，分别考虑大 桥自振特性和地震响应随系梁道数的变化。 ３．１自振特性分析 采用Ｒｉｔｚ向量法对桥梁结构（成桥状态）进 行自振特性分析，表１列出了不同系梁道数结构 前１Ｏ阶模态的自振频率及振型特征。 表１ 不同系梁道数连续刚构桥自振特性对比 注：“纵芎”指以桥墩延纵桥向的弯曲为主；“竖弯”和“横弯”分别指以主梁竖向和横桥向的弯曲为主。 由表１石］见： 加到１．１４３ Ｈｚ，增大了８．５ ；ｌ阶纵向振动频率 （１）随着系梁道数的增加，桥梁的１阶振型 由纵向弯曲（桥墩纵弯，主梁纵飘）变为１阶横向 弯曲；结构基频由０．２６４ Ｈｚ（无系梁时）提高到 ０．３５９ Ｈｚ（３道系梁时），增大了３６ 。 （２）随着系梁道数的增加，桥梁的横向振动 由０．２６４ Ｈｚ提高到０．４３４ Ｈｚ，增加了６４．４％。 （３）系梁设置与否以及系梁道数的增减对桥 墩纵向刚度的影响十分显著。设１道系梁与不设 系梁相比，桥梁结构的１阶纵向振动频率提高了 ３１．４％，且在前１０阶振型中，未出现桥墩２阶以 频率基本没有改变，说明系梁的设置对结构横向 刚度影响不大；１阶竖向振动频率由１．０５３ Ｈｚ增 上的纵向弯曲模态。与设１道系梁相比，设２道 和３道系梁后结构的１阶纵向振动频率分别提高 ２０１４年第４期 饶毅刚：高墩大跨径连续刚构桥双肢墩系梁设置道数与地震响应关系分析 １５ 了１５．６ 和２５．１ 。 ３．２地震动反应谱分析 该桥位于ＶＩ度地震区，按７度设防，抗震设 防类别按《公路桥梁抗震设计细则（ＪＴＧ／Ｔ Ｂ０２— ０１—２００８）》并综合考虑该桥的重要性及修复难 度，选为Ａ类。桥区场地类别为Ｉ类，地震动反 应谱特征周期为０．３５ Ｓ，地震动峰值加速度为 ０．１ ｇ，阻尼比为５ 。采用ＣＱＣ法对各阶模态 进行组合，分别按照本文所定义的顺桥向和横桥 向进行激励。 ｔ边跨主粱跨中（１—１） 地震响应的典型观测截面见图１。其中，内 力观测截面分别为主梁边跨跨中（１ １）、边跨主梁 根部（２ ２）、中跨主梁根部（３ ３）、主梁中跨１／４处 （４—４）、中跨跨中（５—５）及桥墩墩底（６ ６）；位移观测 截面分别为主梁边跨跨中（１—１）、边跨主梁根部 （２ ２）、主梁中跨跨中（５ ５）。 ３．２．１顺桥向地震响应分析 ３ ２ ２ ２ １ ｌ ｌ ９ ６ ３ ０ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ ０ ０ 顺桥向激励时，桥梁最大内力及位移响应随 系梁道数的变化规律见图３。 －＿卜边跨主粱跨中（卜１） ● ● 互 互 浆 厦 ０ ｌ ２ ３ ４ ６ ５ ５ １ ５ Ｏ ４ ５ ０ ２ ３ ３ ５ ３ Ｏ ４ 系粱道数 ａ）主梁竖向弯矩图 ３０ ０００ ㈣ 伽 ｜； 系梁道数 ４ Ｏ ｂ）主梁转矩图 ２９ ５００ ２９ ０００ （１—１） （１—２） 互２８ ５００ 妄２８ ０００ 静２７ ５００ ＼ 基 （３－３） 处（４—４） （５—５） 划 厘 囊２７ ０００ ２６ ５００ ２６ ０００ ０ １ ２ ３ ４ ０ １ ２ ３ ４ 系梁道数 ｃ）墩底纵向弯矩图 系梁道数 ｄ）主粱纵向位移图 图３顺桥向地震波作用Ｆ结构的最大地震响应 由图３可见： ３７．３ 。 （１）对主梁内力来说，主梁的竖向弯矩、转矩 ３．２．２横桥向地震响应分析 等基本随着系梁道数增加而增大。与无系梁相 比，设置３道系梁后主梁竖向弯矩除中跨跨中 截面处增幅（为１４．３ ）不大外，主梁中跨１／４ 截面增大了５６．９ ，其余截面平均增幅达 到了４０．２ ；主梁所有典型截面的转矩增幅在 ３４．３ ～１２７．９ 之间。 （２）对桥墩墩底来说，墩底纵向弯矩随系梁 道数的增加先增大后减小。与无系梁相比，设置 １道系梁后桥墩墩底纵向弯矩增大了３．１％，设置 ３道系梁后墩底纵向弯矩降低了８．５ 。相同情 况下两肢墩底纵向弯矩相差很小，在图３ ｃ）中可 以看出２条线基本重合。 （３）对主梁位移来说，随着系梁道数的增加， 横桥向激励时，结构最大内力及位移的响应 值随系梁道数的变化规律见图４。 由图４可见： （１）横桥向地震波作用下，主梁的内力及位 移随系梁道数的变化不大。与无系梁相比，设置 ３道系梁后主梁横向弯矩在中跨梁体根部截面处 的增幅为９．１ ９／６，其他截面位置的增幅在４ ～ ９ 之间；除中跨跨中截面处主梁转矩的增幅（为 １９．５ ）较大外，其他截面位置的增幅均较小（不 超过９．２ ）；主梁各典型截面处的横向位移增幅 均未超过３．２ 。 （２）桥墩２单肢底部的横向弯矩随系梁道数 的增加而增大。与无系梁相比，设置３道系梁后 梁体纵向位移逐渐减小。与无系梁相比，设３道 系梁后主梁所有典型截面纵向位移平均下降了 的桥墩２单肢的平均增幅为９．９ 。 １６ 饶毅刚：高墩大跨径连续刚构桥双肢墩系梁设置道数与地震响应关系分析 ２０１４年第４期 ３．８×１０ ３．６×１０ ３．４×１０ ４ （Ⅲ．７善＼ 厦蜒 ３．２×１Ｏ ４ ３．０Ｘ１０ ４ １） ２） ３） （Ⅲ． 一＼ 静匠 世替 ４－４） ５） ２．８×ｌＯ ２．６×１０ ２．４Ｘ１０ ２．２×１０ ４ ０ １ ２ ３ ４ ０ １ ２ ３ ４ 系梁道数 ａ）主梁横向弯矩图 ６．９０×ｌ０ ６．７５×１０ ６．６０×１０ 系梁道数 ｂ）主梁转矩图 ６．４５×１０４ ６．３０Ｘ １０ ６．１５×ｌＯ４ ６．００Ｘ １０‘ ５．８５×１０４ ５．７０Ｘ １０ ５．５５×ｌ０‘ ５．４ＯＸ １０ ５．２５×１０‘ Ｏ 跨） 跨） １ ２ ３ ４ ０ １ ２ ３ ４ 系梁道数 系梁道数 ｃ）墩底横向弯矩图（Ⅵ． 量＼ 掉 州 ８ ８ ７ ６ ５ ４ ４ ３ ２ １ ８ ｄ）主梁横向位移图 图４横桥向地震波作用下结构的最大地震响应 ｇ。＼ 晕匠颦 ５ ５ ５ ４ ４ ４ ３ ３ ３ ２ ２ ２ ４ 结论 ３ ３ ３ ３ ３ ８ ０ ２ ４ ６ ８ Ｏ ２ ４ ６ ０ 土连续刚构地震响应的影响［Ｃ］．全国既有桥梁加 固、改造与评价学术会议论文集．北京：人民交通出 版社，２００８． ××××××××××× ３ ３ ３ ３ ３ ２ ∞ ∞弱∞踮∞ ∞ 高墩大跨连续刚构桥系梁设置与否，以及设 置道数对结构内力及位移有较大影响。从计算结 果来看，在地震荷载作用下，主梁的内力在不设置 系梁时最小，此时桥梁结构的体系相对较柔，所受 到的地震力相对较小，有利于结构的抗震。设置 ２道及以上系梁时，主梁的内力增长较大，从抗震 角度考虑，建议尽量少设置系梁。 参考文献 Ｅ２］周勇军，赵 煜．系梁设置对高墩大跨弯连续刚构 桥动力特性及地震响应的影响［Ｊ］．应用基础与工程 科学学报，２０１１，１９（４）：６０８—６１８． ［３］冯鹏程，吴游字，罗玉科．龙潭河特大桥高墩系梁局 部应力分析［Ｊ］．桥梁建设，２００５（２）：２６—２８． Ｅ１］张峰，叶见曙．桥墩系梁对高墩大跨预应力混凝 Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｓｅｔｔｉｎｇ Ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌｉｍｂ Ｐｉｅｒ Ｃｏｌｌａｒ Ｂｅａｍ ｏｎ ｔｈｅ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｒｉｇｉｄ Ｆｒａｍｅ Ｂｒｉｄｇｅ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ—ｒｉｓｅ Ｐｉｅｒｓ Ｒａｏ Ｙｉｇａｎｇ （Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｓｕｒｖｅｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕｉｙａｎｇ ５５０００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃｏｌｌａｒ ｂｅａｍ ｓｅｔｔｉｎｇ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｌａｒｇｅ－ｓｐａｎ ｄｏｕｂｌｅ ｌｉｍｂ ｔｈｉｎ— ｗａｌｌ ｈｉｇｈ ｐｉｅｒｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ－ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅ— ｓｐｏｎｓｅ，ｔａｋｉｎｇ Ｑｉｎｇｓｈｕｉ Ｒｉｖｅｒ Ｂｒｉｄｇｅ ａｓ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ ｓｐａｃｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ ｗａｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｌｌａｒ ｂｅａｍ ｉｓ ａｎ～ ａｌｙｚｅｄ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｔｔｉｎｇ ｎｕｍｂｅｒ ｏｎ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｎａｔｕｒａｌ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｃｏｌｌａｒ ｂｅａｍ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｄｉｓ— ｃｕｓｓｅｄ ｂｙ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｏｎｇ—ｓｐａｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｒｉｇｉｄ ｆｒａｍｅ ｂｒｉｄｇｅ；ｄｏｕｂｌｅ ｌｉｍｂ ｔｈｉｎ－ｗａｌｌ ｈｉｇｈ ｐｉｅｒｓ；ｃｏｌｌａｒ ｂｅａｍ ｎｕｍｂｅｒ；ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｍｅｔｈｏｄ；ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ