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摘要：文章以某座高墩大跨弯连续刚构桥为背景，建立了空间有限元模型，并进行了线弹性时程分析，对比研究了空实心墩对结构动力特性及地震响应的影响规律。结果表明，在材料用量相当的情况下，双薄壁实心墩桥梁综合地震响应小于空心墩桥梁的地震响应。其研究成果可为高墩大跨连续刚构桥初步设计及弹性抗震设计提供参考。
关键词：双薄壁墩截面形式；高墩大跨弯连续刚构桥；地震响应
Abstract: taking high piers of large-span curved continuous rigid frame as the background, established the spatial finite element model, and a linear elastic time history analysis and comparing the empty solid piers on structure dynamic properties and seismic response of the influence law. The results show that, in the materials consumption quite, double thin-wall piers solid bridge seismic response less than hollow piers of seismic response of the bridge. The research results can for high piers of long span continuous rigid preliminary design and elastic seismic design to provide the reference.
Key Words: double thin-wall piers cross section shape; high piers of large-span curved continuous rigid frame; the earthquake response
中图分类号：P315文献标识码：A 文章编号：
根据我国已建的几座典型双薄壁墩连续刚构桥，其桥墩大多数采用空心箱形截面，采用实心矩形截面的较少。空心墩与实心墩在动力特性及抗震适用性上究竟有何异同，笔者针对此问题，进行了这方面的数值计算分析，所得结果可供类似桥型抗震设计参考。
1 工程背景
五里坡高墩大跨弯连续刚构桥，跨径组合为85+160*4+85m，其平面半径为300米，墩高153m，1/2、1/4墩高处分别设置一道墩系梁，桥梁桥型布置如图1所示。
图1桥梁桥型布置（单位：m）
主梁采用单箱单室箱梁，墩顶主梁高9．5m，跨中主梁高3．5m，梁高沿跨径方向按二次抛物线变化，采用C50混凝土，主梁根部和跨中截面如图2所示。桥墩采用双薄壁空心墩，C50混凝土。
图2主梁根部和跨中截面示意图（单位：cm）
为了比较双薄壁墩的截面形式对弯连续刚构桥地震响应的影响，对上述三跨弯连续刚构桥分别采用了实心和空心墩截面形式，空心墩采用原尺寸，实心墩尺寸按照与空心墩质量2倍的原则调整为4×10m，墩中心间距不变。
2 结构动力特性分析
结构的动力特性分析是进行结构动力反应和抗震分析的前提。结构分别设置双薄壁空、实心墩时，其动力特性分析结果。结构在两种双薄壁墩截面形式下，前四阶振型相同，但高阶的振型序列受到了墩截面形式的影響。结构在三个方向上的一阶频率，结构的墩截面形式由空心墩变为实心墩后，三个方向上的频率均降低了，其中横、纵、竖向一阶频率分别减小了13.9％、43.6％、5.7％。由此可见，采用实心墩后，结构整体体系变柔了，频率相应地减小了。
3 地震响应分析
将跨中、主梁根部及墩底截面作为地震响应的观测点。
3. 1 顺桥向地震响应分析
顺桥向激励时,各观测点内力及位移的响应峰值随桥墩截面形式的变化规律。
(a) 主梁竖向弯矩随桥墩截面形式变化图
(1) 对上部结构来说，双薄壁墩截面从空心变为实心时，主梁各观测点的竖向弯矩均明显减小，幅度在27.4%～44.9%，且竖向弯矩在中跨跨中处远小于在另外三个观测点处；而扭矩仅在中跨主梁根部减小了18.2%，另外三个观测点则变化不大，增减在10%以内。
(2) 对下部结构来说，双薄壁实心墩与空心墩相比，墩底截面的纵向弯矩及轴力分别减小了47.3%和20.0%。
(3) 对主梁切向位移来说，结构采用实心墩时的位移比采用空心墩时的位移增加了28%左右。
(4) 采用双薄壁实心墩能有效减小主梁弯矩、墩底弯矩及轴力的响应峰值，但增大了主梁位移的响应峰值，主梁扭矩则影响不大。
3. 2 横桥向地震响应分析
横桥向激励时, 各观测点内力及位移的响应峰值随桥墩截面形式的变化规律如图3所示。
(a) 主梁横向弯矩随桥墩截面形式变化图
(b) 主梁扭矩随桥墩截面形式变化图
(c) 墩底横向弯矩及轴力随桥墩截面形式变化图
(d) 主梁横向位移随桥墩截面形式变化图
图7 横桥向地震波作用下各观测点内力及位移响应值
由图3可以看出，横桥向激励时：
(1) 对上部结构来说，双薄壁墩截面从空心变为实心时，主梁各观测点的横向弯矩均变化不大，增减在7.0%以内；而扭矩均有小幅减小，其幅度在9.5%以内，且扭矩在中跨跨中处远小于在另外三个观测点处。
(2) 对下部结构来说，双薄壁实心墩与空心墩相比，墩底截面的横向弯矩及轴力分别减小了13.7%和53.5%。
(3) 对主梁横向位移来说，结构采用实心墩时的位移比采用空心墩时的位移稍有增加，其幅度在3.4%以内。
(4) 采用双薄壁实心墩能有效减小主梁扭矩、墩底弯矩及轴力的响应峰值，而主梁弯矩及位移则影响不大。
4 结论
(1) 设置双薄壁实心墩的连续刚构桥与设置双薄壁空心墩的连续刚构桥相比，结构体系更柔，可明显减小结构横向及纵向频率，对竖向的动力特性则改善很小。
(2) 结构采用双薄壁实心墩与采用双薄壁空心墩相比，可有效减小主梁弯矩和扭矩的响应峰值，降低墩底弯矩和轴力的响应峰值，而主梁位移的响应峰值则有所增加。
参考文献：
[1] 徐君兰，顾安邦．连续刚构桥主墩刚度合理性的探讨[J]．公路交通科技，2005(2)．
[2] 胡步毛，魏建东，戴胜勇．高墩大跨连续刚构桥地震反应分析[J]．四川建筑，2008，28(4)：102-104．
[3] 韩艳，陈政清，李开言．在ANSYS中实现双肢薄壁桥墩参数优化设计的方法[J]．铁道科学与工程学报，2005，2(6)：60-63．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：双薄壁墩截面形式；高墩大跨弯连续刚构桥；地震响应
Abstract: taking high piers of large-span curved continuous rigid frame as the background, established the spatial finite element model, and a linear elastic time history analysis and comparing the empty solid piers on structure dynamic properties and seismic response of the influence law. The results show that, in the materials consumption quite, double thin-wall piers solid bridge seismic response less than hollow piers of seismic response of the bridge. The research results can for high piers of long span continuous rigid preliminary design and elastic seismic design to provide the reference.
Key Words: double thin-wall piers cross section shape; high piers of large-span curved continuous rigid frame; the earthquake response
中图分类号：P315文献标识码：A 文章编号：
根据我国已建的几座典型双薄壁墩连续刚构桥，其桥墩大多数采用空心箱形截面，采用实心矩形截面的较少。空心墩与实心墩在动力特性及抗震适用性上究竟有何异同，笔者针对此问题，进行了这方面的数值计算分析，所得结果可供类似桥型抗震设计参考。
1 工程背景
五里坡高墩大跨弯连续刚构桥，跨径组合为85+160*4+85m，其平面半径为300米，墩高153m，1/2、1/4墩高处分别设置一道墩系梁，桥梁桥型布置如图1所示。
图1桥梁桥型布置（单位：m）
主梁采用单箱单室箱梁，墩顶主梁高9．5m，跨中主梁高3．5m，梁高沿跨径方向按二次抛物线变化，采用C50混凝土，主梁根部和跨中截面如图2所示。桥墩采用双薄壁空心墩，C50混凝土。
图2主梁根部和跨中截面示意图（单位：cm）
为了比较双薄壁墩的截面形式对弯连续刚构桥地震响应的影响，对上述三跨弯连续刚构桥分别采用了实心和空心墩截面形式，空心墩采用原尺寸，实心墩尺寸按照与空心墩质量2倍的原则调整为4×10m，墩中心间距不变。
2 结构动力特性分析
结构的动力特性分析是进行结构动力反应和抗震分析的前提。结构分别设置双薄壁空、实心墩时，其动力特性分析结果。结构在两种双薄壁墩截面形式下，前四阶振型相同，但高阶的振型序列受到了墩截面形式的影響。结构在三个方向上的一阶频率，结构的墩截面形式由空心墩变为实心墩后，三个方向上的频率均降低了，其中横、纵、竖向一阶频率分别减小了13.9％、43.6％、5.7％。由此可见，采用实心墩后，结构整体体系变柔了，频率相应地减小了。
3 地震响应分析
将跨中、主梁根部及墩底截面作为地震响应的观测点。
3. 1 顺桥向地震响应分析
顺桥向激励时,各观测点内力及位移的响应峰值随桥墩截面形式的变化规律。
(a) 主梁竖向弯矩随桥墩截面形式变化图
(1) 对上部结构来说，双薄壁墩截面从空心变为实心时，主梁各观测点的竖向弯矩均明显减小，幅度在27.4%～44.9%，且竖向弯矩在中跨跨中处远小于在另外三个观测点处；而扭矩仅在中跨主梁根部减小了18.2%，另外三个观测点则变化不大，增减在10%以内。
(2) 对下部结构来说，双薄壁实心墩与空心墩相比，墩底截面的纵向弯矩及轴力分别减小了47.3%和20.0%。
(3) 对主梁切向位移来说，结构采用实心墩时的位移比采用空心墩时的位移增加了28%左右。
(4) 采用双薄壁实心墩能有效减小主梁弯矩、墩底弯矩及轴力的响应峰值，但增大了主梁位移的响应峰值，主梁扭矩则影响不大。
3. 2 横桥向地震响应分析
横桥向激励时, 各观测点内力及位移的响应峰值随桥墩截面形式的变化规律如图3所示。
(a) 主梁横向弯矩随桥墩截面形式变化图
(b) 主梁扭矩随桥墩截面形式变化图
(c) 墩底横向弯矩及轴力随桥墩截面形式变化图
(d) 主梁横向位移随桥墩截面形式变化图
图7 横桥向地震波作用下各观测点内力及位移响应值
由图3可以看出，横桥向激励时：
(1) 对上部结构来说，双薄壁墩截面从空心变为实心时，主梁各观测点的横向弯矩均变化不大，增减在7.0%以内；而扭矩均有小幅减小，其幅度在9.5%以内，且扭矩在中跨跨中处远小于在另外三个观测点处。
(2) 对下部结构来说，双薄壁实心墩与空心墩相比，墩底截面的横向弯矩及轴力分别减小了13.7%和53.5%。
(3) 对主梁横向位移来说，结构采用实心墩时的位移比采用空心墩时的位移稍有增加，其幅度在3.4%以内。
(4) 采用双薄壁实心墩能有效减小主梁扭矩、墩底弯矩及轴力的响应峰值，而主梁弯矩及位移则影响不大。
4 结论
(1) 设置双薄壁实心墩的连续刚构桥与设置双薄壁空心墩的连续刚构桥相比，结构体系更柔，可明显减小结构横向及纵向频率，对竖向的动力特性则改善很小。
(2) 结构采用双薄壁实心墩与采用双薄壁空心墩相比，可有效减小主梁弯矩和扭矩的响应峰值，降低墩底弯矩和轴力的响应峰值，而主梁位移的响应峰值则有所增加。
参考文献：
[1] 徐君兰，顾安邦．连续刚构桥主墩刚度合理性的探讨[J]．公路交通科技，2005(2)．
[2] 胡步毛，魏建东，戴胜勇．高墩大跨连续刚构桥地震反应分析[J]．四川建筑，2008，28(4)：102-104．
[3] 韩艳，陈政清，李开言．在ANSYS中实现双肢薄壁桥墩参数优化设计的方法[J]．铁道科学与工程学报，2005，2(6)：60-63．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。