雙柱式橋墩柱間系梁對其抗震性能的影響

孫 恒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

雙柱式框架墩一般由墩柱、蓋梁、系梁等組成，由于構(gòu)造簡單、施工便捷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀輕盈美觀，因而在公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在雙柱式橋墩墩高略高時(shí)，為保證橋墩的穩(wěn)定性，根據(jù)其高度設(shè)置相應(yīng)的柱間系梁。由于雙柱式橋墩、柱間系梁及橋墩蓋梁形成的門式框架是多次超靜定結(jié)構(gòu)，柱間系梁剛度與墩柱剛度相對值以及柱間系梁的位置直接影響橋墩的橫向內(nèi)力分配，系梁剛度過小導(dǎo)致系梁分配的內(nèi)力過小，可能墩柱破壞而橫系梁卻沒有損害，起不到調(diào)整雙柱式框架墩內(nèi)力的作用；系梁剛度過大導(dǎo)致系梁分配的內(nèi)力過大，可能墩身彎矩在橫系梁附近非常大，結(jié)果墩身承載力不足而發(fā)生彎曲破壞，使修復(fù)工作比較困難。系梁的設(shè)置位置同樣會影響墩柱的內(nèi)力分配，進(jìn)而影響到墩柱與系梁的破壞順序，因此，合理的柱間系梁設(shè)計(jì)能有效調(diào)整墩柱受力，保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)的安全。

柱間系梁的設(shè)置增加了橋墩穩(wěn)定性的同時(shí)也使橋梁地震激勵下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生變化，但柱間系梁設(shè)置對雙柱式橋墩結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律以及如何合理地設(shè)置柱間系梁，目前研究不足，現(xiàn)階段規(guī)范規(guī)定也并不明確。04版混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)中僅對系梁的尺寸進(jìn)行限制:寬0.8～1.0倍墩徑，高1.0～1.2倍墩徑，配筋按照構(gòu)造布置；08版抗震細(xì)則中對系梁位置進(jìn)行規(guī)定，7 m一道。這些比較寬泛的規(guī)定導(dǎo)致現(xiàn)階段多數(shù)設(shè)計(jì)中對系梁位置、截面尺寸和配筋一般按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)也有一些學(xué)者對柱間系梁設(shè)置位置和截面尺寸對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，例如蘭峰等對一座雙柱式高墩連續(xù)梁橋進(jìn)行了模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析，認(rèn)為對于墩高超過30 m的雙柱墩，分別在距墩底0.3H和0.8H處設(shè)置與墩身剛度比為0.3～0.6的柱間系梁，結(jié)構(gòu)抗震性能最好[1]，但對于10～20 m墩高的橋墩柱間系梁設(shè)置情況，文中并沒有涉及。本文以某3×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式箱梁橋作為研究對象，研究柱間系梁對雙柱式橋墩抗震性能的影響，以其為同類橋梁抗震設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 工程概況

某高速公路一座預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式箱梁橋?qū)?2.75 m，梁高1.6 m，小箱梁間距3.15 m，共4片，橋墩處每片小箱梁設(shè)置兩個固定板式橡膠支座，橋臺處每片小箱梁設(shè)置兩個滑動板式橡膠支座，兩個橋墩高度均為18 m，墩徑1.6 m，樁徑1.8 m，樁長L為40 m，設(shè)置一道柱間系梁和一道樁間系梁。

2 柱間系梁對雙柱式橋墩抗震性能的影響分析

采用有限元計(jì)算軟件Midas Civil進(jìn)行建模分析，采用梁單元模擬主梁、橋墩、蓋梁和柱間系梁，上部結(jié)構(gòu)中計(jì)入防撞護(hù)欄、鋪裝等二期荷載，二期荷載只計(jì)入其質(zhì)量，不考慮剛度，采用彈性連接模擬固定及滑動板式橡膠支座，墩底采用六向固結(jié)支座[2]，不考慮樁基及樁側(cè)土對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)離散圖

由于系梁的設(shè)置主要對橋墩橫橋向地震激勵作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能影響較大，因而本文主要討論橋墩在橫橋向地震激勵下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。由于設(shè)置兩道及以上系梁時(shí)，主梁的內(nèi)力增長較大，從抗震角度考慮，應(yīng)當(dāng)盡量少設(shè)置系梁[3]，因此本次模型計(jì)算主要考慮以下兩種工況，不設(shè)置柱間系梁、居中設(shè)置一道柱間系梁，如圖2所示。

圖2 兩種工況下橋墩一般構(gòu)造圖

一般設(shè)計(jì)中墩柱和系梁配筋在長度方向沒有變化，要使得墩柱后于系梁破壞，則應(yīng)當(dāng)使橋墩各控制截面彎矩大小盡量相近，通過控制墩身與系梁的配筋控制墩身與系梁的承載力大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地震作用下系梁梁端先于橋墩發(fā)生屈服破壞。當(dāng)系梁兩端形成塑性鉸后，一方面降低結(jié)構(gòu)頻率，增大結(jié)構(gòu)周期，減小橫橋向地震作用，耗散地震能量；另一方面此時(shí)橋墩各控制截面彎矩大小與彈性階段相比增加不多，不至于引起墩身立即破壞，從而延緩了橋墩的損傷破壞過程，保護(hù)了墩身結(jié)構(gòu)的安全。

本文涉及橋梁為規(guī)則橋梁，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]和橋址區(qū)的地震特征周期等參數(shù)得到場地加速度反應(yīng)譜，并將其按照橫橋向輸入到按照兩個工況建立的模型中進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到各墩身控制截面以及橫系梁梁端的最大彎矩值，其結(jié)果如表1。

表1 墩身以及柱間系梁端部最大彎矩值 kN·m

從表1可以看出，有柱間系梁時(shí)橫橋向結(jié)構(gòu)自振頻率0.830 Hz與無柱間系梁時(shí)橫橋向結(jié)構(gòu)自振頻率0.735 Hz相比增大了11.4%，即居中設(shè)置一道柱間系梁與不設(shè)置柱間系梁相比橫橋向結(jié)構(gòu)剛度增大，周期會變短，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)橫橋向地震作用力增大，設(shè)置柱間系梁能明顯影響結(jié)構(gòu)橫橋向動力特性。有柱間系梁與無柱間系梁橋墩受力情況從工況2與工況1具體對比可以看出，墩底彎矩與墩柱柱底彎矩減小23.5%，墩柱柱頂彎矩減小48.7%，可見設(shè)置柱間系梁能有效減小墩柱彎矩。

為研究系梁設(shè)置位置對雙柱式橋墩橫向抗震性能的影響，改變工況2中柱間系梁的位置，將系梁位置分別設(shè)置于1/4墩高、1/3墩高、2/3墩高和3/4墩高處，采用相同的反應(yīng)譜分別計(jì)算，得到各墩身控制截面以及橫系梁梁端的最大彎矩值，其結(jié)果如表2。

表2 設(shè)置不同位置柱間系梁時(shí)墩身以及柱間系梁端部最大彎矩值 kN·m

從表1及表2中可以看出，設(shè)置一道柱間系梁時(shí)，只改變柱間系梁的設(shè)置位置對結(jié)構(gòu)自振特性及地震響應(yīng)的影響不大，但對于墩柱的內(nèi)力重分布有明顯影響，墩底彎矩隨著系梁高度增加而增大，墩頂彎矩隨著系梁高度增加而減小，當(dāng)系梁高度設(shè)置在1/3墩高附近時(shí)橋墩墩底彎矩、墩頂彎矩以及系梁與墩相接處最大地震作用彎矩?cái)?shù)值相近，此時(shí)只需通過截面配筋控制墩身與系梁的承載力，使得系梁端部截面先于墩柱截面屈服，在系梁端部形成塑性鉸，降低結(jié)構(gòu)頻率，增大結(jié)構(gòu)周期，減小橫橋向地震作用，耗散地震能量，延緩橋墩的損傷破壞過程，保護(hù)了墩身結(jié)構(gòu)的安全。

3 結(jié)論

a）柱間系梁的設(shè)置不僅可以提高雙柱墩的穩(wěn)定性，對橋墩抗震性能也有較大影響。

b）當(dāng)設(shè)置一道柱間系梁時(shí)，只改變柱間系梁的設(shè)置位置對結(jié)構(gòu)自振特性及地震響應(yīng)的影響不大，但對于墩柱的內(nèi)力重分布有明顯影響。

c）對于與本文類似的橋梁，系梁高度設(shè)置在1/3墩高附近時(shí)，橋墩墩底彎矩、墩頂彎矩以及系梁與墩相接處最大地震作用彎矩?cái)?shù)值相近，橋墩結(jié)構(gòu)的受力性能得到明顯改善，并可以通過控制墩柱與系梁配筋實(shí)現(xiàn)系梁端部截面先于墩柱截面屈服，在系梁端部形成塑性鉸，消耗地震動能量，延緩橋墩的損傷破壞過程，保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)的安全。