浅析桥梁墩柱抗震设计

徐 辉

(中国市政工程华北设计研究总院)

浅析桥梁墩柱抗震设计

徐 辉

(中国市政工程华北设计研究总院)

根据《城市桥梁抗震设计规范》CJJ 166-2011以及《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01-2008，桥梁抗震耗能体系总体上分为两种类型。类型一实质上是延性抗震设计即地震作用时，利用桥墩墩柱发生塑性变形耗能;类型二实际上是减隔震设计，地震作用下利用隔震设施耗散地震能量。通过分析不同高厚比的桥墩在地震作用下的响应，确定合理经济的抗震耗能体系。

抗震耗能体系;设计优化;MIDAS

0 前言

城市桥梁型式包括各种类型的直线梁桥以及曲线梁桥，其下部结构样式包括从英文字母A～Z中凡是对称的字母或是其变形体等。随着技术的不断进步，桥墩形式更倾向于经济合理以及轻盈美观。国内城市桥墩样式通常有圆柱形、方形以及花瓶墩等。针对桥梁墩柱抗震耗能设计，抗震规范提供了两种设计理念:一种为塑性强化设计理念，也就是能力保护设计理念，这一理念是新西兰学者ParK等在20世纪70年代中期提出的，并最早在新西兰混凝土设计规范中得到应用。后这一原则先后被美国、欧洲以及日本等国采用。另一种方法是依靠减隔震体系进行耗能，常用方法为减隔震支座，依靠支座变形耗散地震能量，下部结构按弹性理论进行设计。各种墩柱类型在不同的抗震体系中对结构抗震贡献是不同的，采用减隔震支座后，墩柱在抗震中主要提供强度，而采用能力保护设计理念设计的桥梁，墩柱除了提供强度外，刚度对最终的抗震力计算占主导地位。

本文利用MIDAS软件对不同高厚比的墩柱结构体系进行研究，按照不同设计理念进行设计，并对不同形式墩柱样式进行设计优化，以期找到适合城市桥梁下部墩柱抗震设计经济合理的设计方法。

1 高厚比较小的墩柱

高厚比较小的桥梁在城市桥梁中运用较多，如花瓶墩等，此类别墩柱由于刚度较大，地震作用下，此类型墩柱不宜发生延性破坏即不宜出现塑性铰，很难实现能力保护设计理念。工程设计中只能依靠刚度对刚度的方法进行刚性抗震设计，无法实现抗震设计中延性设计理念。对于低度抗震设防区域，采用刚性设计理念，配置适当的钢筋防止其剪切破坏即可，但对于高度抗震设防区域，采用刚性设计理念 ，则相对浪费材料。本文以常用的3×30 m现浇箱梁为例，桥梁宽度为16.5 m，单箱四室结构，桥墩采用常用的柱式墩，墩柱高度选用3m，墩子截面选用常用的1.5 m×1.5 m截面，支座选用盆式支座。计算简图如下:

计算采用反应谱计算，桥梁类别选用C类别，抗震设防烈度选用7、8、9三个级别的地震反应谱，具体参数选取如表1所示。

计算结果如表2。

从表2中可以看出，在低度地震作用下，结构采用刚性设计相对于非抗震设计不会浪费太多材料，但是对于抗震设防高度区，特别是在9度地震作用下，如果按照刚性设计桥墩，则抗剪截面都无法满足，并且相应的弯矩很大。这种情况下如果严格按照规范要求进行刚性设计，则会带来材料的很大浪费。此时如果考虑采用减隔震设计则是个不错的选择，本文采用常用的铅芯减隔震支座进行设计，得到结果如下:

表1 反应谱参数选取表

表2 制动墩地震作用效应

表3 减隔震支座效应

从表1和表2的对比可知，对于高厚比相对较小的墩柱来说，采用减隔震支座可以有效降低地震作用效应。从经济上考虑，墩柱配筋和正常使用状态配筋几乎一样，唯一差别在于支座的费用上，从目前市场行情来看采用减隔震支座对高厚比相对较小的墩柱是合适的。另外，我们仅仅关注墩柱部分的弯矩以及剪力相对于减隔震支座得到效益而忽略了桩基础以及承台等由于减隔震设计得到的效益。综上诉述，对于高震区高厚比相对较小的墩柱来说，采用减隔震设计是合适的。

2 高厚比相对较大的墩柱

2.1 墩顶位移计算

针对工程中经常用到的相对较高的墩子，规范建议采用延性设计理念进行设计。本文采用高厚比为10倍墩宽的墩柱即墩高为15 m的墩柱进行抗震验算，计算模型同图一，唯一的区别为墩子相对较高。墩子周边按照常用配筋配置间距为10 cm直径为32的HRB335钢筋，共配置了64根钢筋。为对比性，本文针对此类别的墩柱只考虑9度抗震设防烈度的地震作用效应，不考虑其余烈度作用下的地震作用效应。模型采用MIDAS提供的纤维单元模拟塑性铰特性，其中钢筋采用Menegotto-pinto模型，混凝土采用Kent-park模型，经过计算得到墩顶位移为18 cm。

2.2 墩顶允许位移计算

根据《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01-2008规定，在最不利轴力8 000 kN的作用下，此墩子的理想弹塑性轴力-弯矩-曲率曲线如图2所示。

图1 理想弹塑性轴力-弯矩-曲率

由图1可得此截面的基本参数如表4所示:

由于是规则桥梁，根据《公路桥梁抗震设计细则》JTG/T B02-01-2008中7.4.7条公式以及公式 7.4.3.1 ～3 得到墩顶允许位移为31.6 cm。显然墩顶位移在允许范围内。

表4 截面理想弹塑性轴力-弯矩-曲率参数

通过计算可知，对于高厚比的墩柱，即使在9度抗震设防区依然可以通过墩底部的延性保护设计达到抗震耗能的目的。

3 结论

(1)对于高厚比较小的墩柱，当其位于低度抗震设防烈度区域时候，建议直接采用刚性设计即可，但当此类别墩柱位于较高抗震烈度设防区域则建议考虑采用减隔震措施进行抗震耗能设计。

(2)对高厚比较大的墩柱，建议采用规范推荐的延性-保护抗震设计理念进行延性设计以及进行能力保护构件设计。

(3)桥梁结构相差千差万别，上部结构重力以及相对的刚度比等一系列因素都可能成为影响结构抗震耗能体系的因素。故针对不同的桥梁结构，抗震设计时候，进行多方案必选，按照经济以及能力最优化选择抗震耗能体系。

［1］中华人民共和国住房和城乡建设部.城市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011)［S］.2012年3月1日实施.

［2］中华人民共和国交通运输部.公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)［S］.2008年10月1日实施.

［3］彭伟，李建中.减隔震连续梁桥非经典阻尼问题与地震响应简化分析［J］.振动与冲击，2009，(1).

［4］吴彬，庄军生.铅芯橡胶支座力学性能及其在桥梁工程中减、隔震应用研究［J］.中国铁道科学，2004，(4).

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1008-3383(2013)05-0110-02

2013-03-28

徐辉(1981-)，男，工程师，主要从事桥梁结构设计研究。