山區(qū)橋梁橋墩抗震性能分析

陽(yáng)斌

（中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司路橋設(shè)計(jì)研究院分公司，武漢430024）

1 背景分析

目前，對(duì)高墩橋梁進(jìn)行地震反應(yīng)分析主要以規(guī)范公式法和靜力推倒分析法為主。對(duì)于橋墩抗震性能的評(píng)價(jià)，JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》【1】并沒有給出量化的計(jì)算方法，只是提出了兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)理念。實(shí)際發(fā)生破壞性地震時(shí)，雖結(jié)構(gòu)未倒塌，但因損傷過大，造成的經(jīng)濟(jì)損失往往超出建設(shè)單位的承受能力。針對(duì)以上問題，本文嘗試引入量化指標(biāo)對(duì)橋墩抗震性能進(jìn)行評(píng)估，可作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)參考。本文研究分析山區(qū)橋梁中普遍存在的柱式墩、薄壁墩，指出了其在高烈度地震下可能會(huì)出現(xiàn)非設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果，并從構(gòu)造措施上給出了優(yōu)化抗震建議。

2 典型山區(qū)高墩橋梁

本橋是貴州山區(qū)某高速上1 座非常典型的高墩橋梁，上構(gòu)為40m 預(yù)制T 梁，單向2 車道，橋?qū)?2.25m，全橋共3 聯(lián)：2×（3×40m）+4×40m；上部結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)連續(xù)T 梁。本地區(qū)場(chǎng)地類型為Ⅱ類，地震參數(shù)為抗震設(shè)防烈度7 度，地震動(dòng)峰值加速度0.15g。墩高分為空心薄壁墩（6.5m×3.0m，壁厚0.5m，墩身主筋HRB500 D32）和雙柱式墩，該類橋墩均為貴州山區(qū)非常常見的橋墩。全橋下構(gòu)共9 個(gè)橋墩，1～5#和9#墩為圓柱墩，直徑2m；6～8#墩為6.5m×3.0m 空心薄壁墩；3#、6#為分聯(lián)墩；7～9#墩梁固結(jié)；1～9#墩高分別為：13.5m、27.2m、17.1m、11.9m、27.4m、56.2m、67.1m、59.8m、33.3m。

3 動(dòng)力特性

動(dòng)力特性是抗震性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，本橋考慮X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）各35 階的模態(tài)。

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，X、Y方向有效參與質(zhì)量合計(jì)分別為92.85%、93.24%，縱橋向和橫橋向均獲得了90%以上的參與質(zhì)量，可滿足規(guī)范要求。前5 階振型頻率分別為0.32Hz、0.39Hz、0.4Hz、0.43Hz、0.62Hz，周期分別為：3.11s、2.53s、2.48s、2.29s、1.60s，前5 階振型描述分別為：全橋縱向振動(dòng)、全橋縱向振動(dòng)、全橋橫向振動(dòng)并有扭轉(zhuǎn)、全橋縱向振動(dòng)、全橋橫向振動(dòng)并有扭轉(zhuǎn)。

山區(qū)橋梁橋墩一般都比較高，縱向剛度較柔，可從全橋的動(dòng)力特性分析得出縱向與橫向剛度的差異。通過以上分析可知，本橋橋墩普遍較高，橋墩較柔，因而自振頻率較低；1～2 階振型皆為縱向，說明本橋縱向剛度小于橫向剛度；橫向振型中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，以第三聯(lián)最為明顯，是第三聯(lián)橋墩剛度差異過于明顯所致。

4 橋墩抗震性能評(píng)價(jià)

在基于性能抗震的設(shè)計(jì)理論中，現(xiàn)行規(guī)范并沒有在這方面有明確的量化指標(biāo)要求，一般情況下可用來(lái)衡量性能的參數(shù)有：變形、承載力、延性、曲率、阻尼比、有效剛度、能量等。本文采用墩頂延位移性系數(shù)和墩頂位移角2 個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)定橋墩抗震性能。

墩頂延性位移系數(shù)定義為在地震荷載作用下，墩頂?shù)淖畲笪灰婆c橋墩墩身首次進(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)墩頂位移的比值，即u=um/uy。對(duì)于常規(guī)的橋墩構(gòu)件，懸臂墩或框架墩的縱橋向計(jì)算在墩底截面剛剛屈服時(shí)，可認(rèn)為曲率沿墩高線性分析，可得到墩頂屈服位移uy=（1/3）φyH2，其中，H為墩高；φy為橋墩的屈服曲率，可由橋墩的彎矩-曲率曲線得到，對(duì)于框架墩橫橋向屈服位移需要做pushover 分析得出。本文位移角可定義為墩頂位移與墩高的比值。綜合參考文獻(xiàn)【2，3】，對(duì)位移延性系數(shù)定義為完好（0，1]、基本完好（1，1.2]、輕微破壞（1.2，3]、中等破壞（3，4]、嚴(yán)重破壞（4，6] 5 類性能水準(zhǔn)，位移角限值定義為完好1/500、正常使用1/400、修復(fù)后使用1/175、生命安全1/100、防倒塌1/50 5 類性能水準(zhǔn)。

本橋墩高超30m 為非規(guī)則橋梁，地震分析方法運(yùn)用MIDAS CIVIL 軟件采用時(shí)程分析。由貴州省地震局工程地震研究中心、武漢地震工程研究院有限公司提供的3 組時(shí)程波計(jì)算（按100a 超越概率10%水平向峰值加速度），計(jì)算結(jié)果取3 組的最大值。

時(shí)程分析墩頂位移見表1。

從時(shí)程分析結(jié)果來(lái)看，不同的抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)反映的結(jié)論并不完全一致。本橋的位移延性系數(shù)指標(biāo)均可滿足完好指標(biāo)，但位移角卻存在不同的評(píng)價(jià)，總體上都能滿足修復(fù)后使用要求。由于現(xiàn)行抗震規(guī)范并沒有在橋墩抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)上有具體的規(guī)定，所以需要綜合多種指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)分析，并確保每項(xiàng)指標(biāo)都能滿足最低目標(biāo)性能要求。

從橋墩類型抗震性能角度分析，空心薄壁墩比圓柱墩的延性更好，其變形為彎曲破壞，能消耗大量的地震能量，圓柱墩如果墩身過矮則有可能發(fā)生剪切破壞，這不是期望的破壞結(jié)果。圓柱墩抗震性能不僅與墩高有關(guān)，還與上部構(gòu)件連接的邊界條件有關(guān)，并且同一聯(lián)不同剛度橋墩還會(huì)相互影響，但是，總趨勢(shì)是墩身較高的圓墩抗震性能比較低的要好。

表1 縱、橫向地震波效應(yīng)

5 框架墩橫向抗震分析

雙柱或者多柱墩是非常常見的橋墩形式，在貴州山區(qū)高墩中往往有墩高達(dá)30～40m 的情形，通常會(huì)設(shè)置2～3 道中系梁，中系梁的存在可減小圓柱墩橫橋向長(zhǎng)細(xì)比，提高穩(wěn)定性，但其會(huì)改變橋墩的側(cè)向剛度。

以本橋的9#墩為例，通過橋墩的橫向抗震分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)墩頂位移達(dá)到14cm，橋墩中系梁附近會(huì)提前出現(xiàn)屈服，甚至?xí)?yōu)先于墩頂?shù)孜恢们?，這顯然是對(duì)抗震性能不利的。對(duì)比其他有中系梁的圓柱墩亦有類似情況，即中系梁附近可能會(huì)先于橋墩頂?shù)孜恢冒l(fā)生屈服。

貴州高速公路圓柱墩習(xí)慣上采用密系梁，即橋墩系梁間距控制的很小，通常在12m 內(nèi)。這對(duì)于抗震而言并無(wú)益處，中系梁的存在會(huì)造成墩身剛度沿高度上發(fā)生突變，柱彎矩、剪力在此位置都會(huì)有突變，使得墩身系梁位置在地震荷載下會(huì)產(chǎn)生更大的水平力，而墩身系梁上下位置一般不會(huì)加強(qiáng)，這導(dǎo)致系梁上下附近的墩身變成薄弱區(qū)，易形成新的塑性鉸區(qū)域。中系梁往往尺寸很大但長(zhǎng)度又較短，造成中系梁剛度與柱剛度相差很大，而剛度差異越大，墩柱在中系梁附近越易形成薄弱層（形成塑性鉸或剪壞）。此外，對(duì)于多柱墩，中系梁的存在還會(huì)造成墩柱軸力上發(fā)生劇烈的變化。

綜上分析，對(duì)于橋墩中系梁宜盡量少設(shè)，最好不設(shè)，對(duì)已設(shè)中系梁橋墩，墩身在中系梁附近宜進(jìn)行箍筋加強(qiáng)，系梁兩端也宜進(jìn)行箍筋加強(qiáng)，避免剪切先于彎曲破壞。

6 高墩的墩頂允許位移

山區(qū)高墩常見的有實(shí)心矩形墩、空心矩形墩，這類橋墩剛度通常很大，按公路橋梁抗震細(xì)則規(guī)定，塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角與極限破壞狀態(tài)的曲率、等效屈服曲率、等效塑性鉸長(zhǎng)度有關(guān)。本文以7#高墩為例，7#墩高67.1m，設(shè)計(jì)為空心薄壁墩（6.5m×3.5m）。

利用MIDAS CIVIL 做彎矩-曲率分析，可得出該墩在橫向位移下，等效屈服曲率為0.000 57m-1，極限曲率為0.003 5m-1。利用MIDAS CIVIL 做墩頂容許位移分析時(shí)，認(rèn)定當(dāng)橋墩墩身任意位置曲率達(dá)到極限曲率的一半時(shí)即到達(dá)設(shè)計(jì)容許曲率，此時(shí)墩頂位移即為容許位移。以此計(jì)算出7#墩頂橫向容許位移約為1.9m，縱向容許位移會(huì)更大，原因是橋墩縱向剛度比橫向小，縱向的等效屈服曲率和極限曲率都比橫向要大。由此可見，由于薄壁墩墩身很高，導(dǎo)致計(jì)算出墩頂容許位移非常大，這意味著薄壁墩墩身并不容易發(fā)生破壞，而橋墩連接上構(gòu)的支座（分聯(lián)位置會(huì)設(shè)置，其他位置一般固結(jié)）卻無(wú)法適應(yīng)如此大的位移。在橋墩抗震概念設(shè)計(jì)理念中，按能力保護(hù)原則，一般會(huì)要求橋墩的蓋梁、擋塊、樁基、支座等不應(yīng)先于橋墩墩身破壞，顯然對(duì)于擋塊、蓋梁等可以通過尺寸增大、配筋加強(qiáng)來(lái)提高，但對(duì)于本橋的支座，要適應(yīng)如此大的位移，支座設(shè)計(jì)本身將會(huì)十分困難，這亦說明支座是高墩橋梁抗震的一個(gè)非常脆弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量避免設(shè)置支座。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過貴州山區(qū)一典型實(shí)際橋梁的橋墩抗震分析，從不同類型橋墩抗震性能指標(biāo)評(píng)價(jià)、圓柱墩系梁的設(shè)置、墩頂橫向位移3 個(gè)方面深入研究討論，分析的結(jié)論具有較大實(shí)用價(jià)值，可供工程人員參考。