两种型式钢管混凝土桥墩地震反应对比研究 袁玲，常山，王雪娟 （安徽科技学院建筑学院，安徽凤阳２３３１００） 摘要：取某特大桥的一联三跨，采用纤维单元建立 两种型式钢管混凝土桥墩的桥梁有限元模型，输 段主要起到承受并传递荷载的作用，而在地震作用 下，桥墩是主要的耗能构件，对保证桥梁的安全至关 入ＭＡＸＩＣＯ地震波，采用非线性时程分析法，计算 两种型式钢管混凝土桥墩顺桥向地震响应，并比 较在常遇地震和罕遇地震作用下两种地震响应的 差异，根据响应结果对两种钢管混凝土桥墩的优 劣进行初步讨论。 关键词：非线性；钢管混凝土；对比研究 中图分类号：Ｕ４４３．２２ 文献标识码：Ｂ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｏｆ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ—— ｉｆｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｅｒ ＹＵＡＮ Ｌｉｎｇ，ＣＨＡＮＧ Ｓｈａｈ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅ一 ａｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆＡｎｈｕｉ， Ａｎｈｕｉ Ｆｅｎｇｙａｎｇ ２３３１００ Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｕｌａｒ ｐｉｅｒ ｂｙ ｉｆｂｅｒ ｕｎｉｔ，ｉｎｐｕｔｓ Ｍｅｘｉｃｏ ｓｅｉｓｍｉｃ ｗａｖｅ，ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｓ ｔｈｅｉｒ ｓｅｉｓｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｔｉｍｅ—ｈｉｓｔｏｒｙ ｍｅｔｈｏｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｏｆｔｅｎ ｍｅｔ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｎａｄ ｒａｒｅｌｙ ｍｅｔ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ，ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｎａｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｂｒｉｄｇｅ ｐｉｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ；ｃｏｎｃｒｅｔｅ—ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｕｂｅ；ｃｏｍ— ｐａｒａｔｉｖｅ ｓｔｕｄｙ １ 概述 桥墩作为桥梁结构中重要的构件，在正常使用阶 基金项目：安徽科技学院校内人才引进项目基金资助，项 目编号：ＺＲＣ２０１４４６８。 收稿日期：２叭６—０６—２９ 作者简介：袁玲（１９８６一），女，河南商丘人，硕士研究生，助教。 －－－——５４・－－—— 重要。目前，国内外桥梁结构中，钢筋混凝土桥墩占 据了很大规模，而对钢筋混凝土桥墩的抗震性能，从 理论分析到试验研究都相对较多。 目前，除钢筋｝昆凝土桥墩外，国内外又在积极探 索其他的桥墩型式，并出现一些新型桥墩，这些新型 桥墩从结构形式到材料运用都较过去有较大变化， 而钢管混凝土桥墩便是其中典型的代表。随着我国 经济水平和技术水平的飞速发展，对钢管混凝土桥 墩研究也较多，臧华…等采用拟静力试验，对比了研 究钢管混凝土桥墩和钢筋混凝土桥墩的抗震性能， 王占飞 等对部分填充钢管混凝土桥墩抗震性能进 行了数值分析，发现填充混凝土高度对钢管局部变 形发展位置有较大影响，庞彪 等通过拟静力试验 研究了大截面圆钢管混凝土桥墩的抗震性能，曾 彦 等采用有限元法，研究了叠合柱钢管壁厚与轴 向应力比率等因素影响规律，聂建国 等对四肢钢 管混凝土格构柱进行了轴压受力试验。大量研究表 明，钢管混凝土墩柱抗震性能优良，但对于钢管混凝 土桥墩采用何种型式目前还没有统一认识，故拟定 两种型式钢管混凝土桥墩，并对其抗震性能进行了 初步探讨。 ２钢管混凝土桥墩型式 国内对钢管混凝土桥墩的使用，以四川雅西高速 腊八斤大桥 为典型，该桥在桥墩四角采用外包 ２０ ｃｍ厚度混凝土的钢管混凝土墩柱。但该桥墩造价 和施工难度都比较大，这显然不利于钢管混凝土墩柱 大面积推广使用。根据桥墩的受力特点，应该保证桥 墩具有足够的水平刚度。为此采用框架式桥墩 ， 拟定的框架式桥墩主要由若干肢钢管混凝土墩柱组 成，墩柱间通过设置水平横梁及斜撑连接，从而形成 空间框架式桥墩。 采用这种框架式结构主要是因为仅通过各构件 之间的合理设计，就能为结构提供比较理想的水平刚 度，同时有利于节省材料，便于连接桥梁上部结构，同 袁玲，常山，王雪娟：两种型式钢管混凝土桥墩地震反应对比研究 ｌ３Ｌ＾ＪＵ 力和墩底弯矩均明显小于６肢立柱桥墩相应的地震 响应值。若考虑两种桥墩立柱肢数上的差异，可以看 出实际上两种桥墩的墩底轴力和墩底剪力地震响应 ３００基本一致，而４肢立柱桥墩墩底弯矩地震响应值要大 蔷一０． ｌ０５ｏ０ｏ０Ｏ０ ／ 于６肢立柱桥墩。 结合图４立柱墩底弯矩一曲率曲线可知，在地震 ／６－０．００４－０￣． ）．０ｏ０ｏ Ｏ．０ｏ２ ０．０Ｏ０４ ０．００６ ０．０ 波作用下，两种桥墩立柱都已进入弹塑性工作阶段，４ 肢立柱桥墩墩底最大弯矩已经达到５ ４７０．５ ｋＮ・ＩＴＩ， 墩底最大曲率达到了０．０００ ５ ｍ～，而６肢立柱桥墩墩 底最大弯矩已经达到２ ５０１．３ ｋＮ・ｍ，墩底最大曲率 也达到了０．０００ ５ ｍ。。。 结合图４的常遇地震下立柱墩底轴力一应变曲 线可知，在地震波作用下，两种桥墩轴力都处于拉压 不断变化的过程，其中４肢立柱桥墩墩底最大的轴力 达到了３６６ ５２ ｋＮ，而６肢立柱桥墩墩底最大的轴力达 到了２６３ ３８ ｋＮ，两种桥墩的曲率变化范围都处在 一０．０００ ５～＋０．０００ ５之间变化。 ＝、 ｇ 一 斟一 善 墩底弯矩（ｋＮ・ＩＴＩ） （ａ）４肢立柱桥墩墩底弯矩一曲率滞回曲 ｊＵＵｌＪ ２５００ ＝、 ２０（０）ｏ 若 一 褂 垣 ｌ１（５） ／ －０ 墩底弯矩（ｋＮ・ｍ） （ｂ）６肢立柱桥墩墩底弯矩一曲率滞回曲线 图３常遇地震下桥墩立柱墩底弯矩一曲率滞回曲线 ５ 罕遇地震下非线性时程响应对比 根据假定的桥梁所处地震场地类型，设计水平地 震动加速度为Ｏ．３ ｇ，将ＭＥＸＩＣＯ地震波的峰值加速 度调整为０．１７５ ｇ，相当于Ｅ２地震（罕遇地震）情况。 表３为罕遇地震下框架式桥墩中单肢立柱非线性时 程结果，图５为罕遇地震下桥墩单肢立柱墩底弯矩一 一５６一 轴力（ｋＮ） （ａ）４肢立柱桥墩墩底轴力一应变滞回曲线 ＺＵＵｕＵ １Ｏ００ｏ … ｎ ＿０ 嘣 ｌｒ ０ｏ０ ０／ ．０Ｄ０２ ｎ０００４ ０．ｏ０ 轴力（ｋＮ） （ｂ）６肢立柱桥墩墩底轴力一应变滞回曲线 图４常遇地震下桥墩立柱墩底轴力一应变滞回曲线 曲率滞回曲线，图６为罕遇地震下桥墩单肢立柱的轴 力一应变曲线。 表３ 罕遇地震下单肢立柱非线性时程结果 从表３可以看出，罕遇地震作用下，４肢立柱桥墩 和６肢立柱桥墩的墩顶位移分别为０．５１４ ｍ和 ０．５３５ ｍ，两者墩顶位移相差不大。４肢立柱桥墩的单 肢立柱墩底轴力、墩底剪力和墩底弯矩都要大于６肢 立柱桥墩的相应地震响应值。在考虑桥墩肢数的因 素后，４肢立柱桥墩与６肢立柱桥墩的墩底总轴力大 小接近，而两种形式桥墩的墩底总剪力和墩底总弯矩 相差较大。 结合图６立柱墩底弯矩一曲率曲线可知，在地震波 作用下，两种桥墩立柱都进入完全弹塑性工作阶段，４ 肢立柱桥墩墩底最大弯矩已经达到９ ９６１．１ ｋＮ・ｍ，墩 底最大曲率达到了０．００１ ２６ ｍ～，而６肢立柱桥墩墩底 最大弯矩已经达到５ ３４９．９ ｋＮ・ｍ，墩底最大曲率也达 到了０．００１ ３０ ｍ～。 山东交通科技 吕 瓣 霍 －－０．０ｏｌ５ ｏｏ１５ 一８０ｏＯ 墩底弯矩（ｋＮ＊ｍ） （ａ）４肢立柱桥墩墩底弯矩一曲率滞回曲线 ｛；｛卜 短 —ＯＤ０１５－ｏ． Ｏ．０（）２Ｏ —如１００ 墩底弯矩（ｋＮ＊ｍ） （ｂ）６肢立柱桥墩墩底弯矩一曲率滞回曲线 图５ 罕遇地震下桥墩立柱墩底弯矩一曲率滞回曲线 嘎０ｏ 一６Ｉ口０（）ｏ 轴力（ｋＮ） （ａ）４肢立柱桥墩墩底轴力一应变滞回曲线 ４（）Ｏ００ ２０ｏ００ ／ －０．００１ｆ０ ０．０００５ ０．００１０ ０．００１５ ０．００： （ｂ）６肢立柱桥墩墩底轴力一应变滞回曲线 图６罕遇地震下桥墩立柱墩底轴力一应变滞回曲线 ２０１６年第５期 结合图６立柱墩底轴力一应变曲线可知，在地震 波作用下，两种桥墩轴力都处于拉压不断变化的过 程，其中４肢立柱桥墩墩底最大的轴力达到了 ６９ ５９４ ｋＮ，而６肢立柱桥墩墩底最大的轴力达到了 ４７ ６００ ｋＮ，两种桥墩的曲率变化范围都处在一 ０．００１ ３～＋０．００１ ３之间变化。 ６ 结语 （１）通过常遇地震下非线性时程反应分析可知， 两种型式桥墩墩顶位移响应值大小接近一致，而４肢 立柱桥墩中单肢立柱墩底弯矩、墩底剪力和墩底轴力 都大于相应的６肢立柱桥墩地震响应值，若考虑桥墩 立柱肢数的差异，两种型式桥墩的地震响应相差不 大；（２）通过罕遇地震下非线性时程反应分析可知，两 种型式桥墩墩顶位移响应值大小接近一致，若考虑桥 墩立柱肢数的差异，两种型式桥墩的墩底总轴力大小 相差不大，而墩底总弯矩和墩底总剪力相差较大；（３） 若考虑桥墩造价和方便施工，在常遇地震下，两种型 式桥墩地震响应没有明显区别，故选择４肢立柱桥墩 更为经济合理；而在罕遇地震下，４肢立柱桥墩地震响 应要稍大于６肢立柱桥墩响应值，此时选择何种型式 桥墩需要综合考虑。 参考文献： ［１］ 臧华，刘钊，李英红．钢管混凝土桥墩抗震性能试验研 究［Ｊ］．防灾减灾工程学报，２０１０，３０（４）：４４２—４４６，４５１． ［２］ 王占飞，张海，张敏江等．部分填充钢管混凝土桥墩抗 震性能的数值分析［Ｊ］．沈阳建筑大学学报（自然科学版）， ２００８，２４（６）：９４９—９５３． ［３］ 庞彪，袁传泯，朱东生．大截面圆钢管混凝土桥墩抗震 性能试验［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１４，３３（１０）：．６８— ７２，１３６． ［４］ 曾彦，曾勇，赵顺波．钢管混凝土叠合柱式桥墩受力 性能分析［Ｊ］．世界桥梁，２０１０（２）：５２—５４，５８． ［５］ 聂建国，廖彦波．四肢钢管混凝土格构柱轴压受力试 验［Ｊ］．清华大学学报（自然科学版），２００９，４９（１２）：１９１９ —１９２４． ［６］ 张小军，郭澹，王鼓林等．钢管混凝土组合高墩施工 工艺［Ｊ］．西南公路，２０１１（４）：５７—６１． ［７］ 常山，朱东生，何发礼．框架式钢管混凝土桥墩非线 性地震反应分析［Ｊ］．重庆交通大学学报（自然科学版）， ２０１３，３２（３）：３８９—３９５． ［８］ 常山，朱东生．框架式钢管混凝土桥墩自振频率影响 因素分析［Ｊ］．交通经济与科技，２０１４，１６（３）：９７—１０４． 一５７—
