常规双柱式桥墩横系梁对桥梁抗震性能的影响

陈阳清

(广东省冶金建筑设计研究院，广东广州 510080)

0 前言

近些年来，世界各地强震不断，汶川等地震给人民的生命财产带来危害，地震使交通系统严重毁坏，地震造成的交通中断直接影响着救灾工作的进行，扩大了次生灾害损失，使生命财产遭受巨大损失。近30多年来，地震灾害的沉痛教训不断地警示着世人，使人们对桥梁的抗震研究工作逐渐受到重视，桥梁抗震理论及技术水平日渐提高。桥梁震害主要多数表现为桥墩倾斜、沉降、移位、墩身剪断、开裂，受压缘的混凝土崩坏，钢筋屈服、裸露，桥墩与基础连接处折断、抗裂等等;而加设横系梁桥墩大部分是横系梁在与墩柱形成塑性铰，通过材料的塑性变形消耗地震能量的输入，保护桥墩墩身。横系梁的刚度、布置方式等都会影响到桥墩的抗震性能，因而研究横系梁提高抗震性能具有重要意义。

1 工程概况

本文选取3×35 m一联先简支后结构连续预应力砼小箱梁作为研究对象，图1为桥梁的标准断面。上部结构梁高1.8 m，宽16.5 m，小箱梁间距3.3 m，共5片，每片小箱梁设置一个板式橡胶支座，桥墩高度H为20 m，墩径1.6 m，桩径1.8 m，桩长L为40 m，设置1道桩基系梁，系梁高1.5 m，宽1.2 m。

桥梁设计荷载等级为公路I级，场地类别为IV类。根据该项目地震评估报告，反映谱参数见图2。

图1 上部结构标准断面图(单位:cm)

图2 反映谱参数图

2 有限元模型建立

本桥采用midas有限元进行模型分析，纵桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。各构件与模型的对应关系为:主梁、桥墩、盖梁和桥墩系梁均采用梁单元模拟，板式橡胶支座采用弹性连接设置其刚度模拟，土体模拟按《公路桥涵地基与基础设计规范》m法［1］进行刚度转换，墩底按竖向支撑处理。见图3。

图3 有限元模型图

3 地震响应分析

3.1 横系梁设置

本文分别考虑不设置桩基系梁(模型1)、仅设置桩基系梁(模型2)、设置桩基系梁和一道柱间系梁，柱间系梁位置在离桩顶10 m处(模型3)、设置桩基系梁和二道柱间系梁，柱间系梁位置分别离桩顶6.6 m、13.3 m处(模型4)4种工况。见图4。

表1分别列出了不同模型地震作用下墩柱、桩基、系梁弯矩、剪力计算结果。可以看出:横系梁设置不影响桥梁结构的纵向动力特性，对桥梁的横向性能影响较大。与无横系梁相比，模型2墩柱柱底弯矩增大31%，桩基弯矩、剪力减小59%;可见桩基横系梁设置，提高双柱式桥墩整体受力能力，主要是横系梁能有效减小桩顶弯矩及剪力［2，3］，起到桩基保护作用。模型4与模型2、模型3相比，墩柱柱底弯矩减小74%、41%，剪力仅增大20%、5%，桩基弯矩、剪力减少25%、10%，可见柱间系梁能有效减小墩柱弯矩，特别设置两道柱间系梁。从目前已有横系梁震害来看，横系梁由于抗剪能力不足发生弯曲或剪切破坏，减少了作用在墩柱上的地震力，同时横系梁在破坏中进入塑性，能够消耗一部分地震能量，形成一个耗能机制，对墩柱和桥梁抗震性能是有利的，特别是桩基系梁设置。因此加设横系梁能有效调整墩身受力，柱系梁应根据墩高而相应增加，消耗地震动能量输入，减少墩柱受力，提高其整体抗震性能。

图4 4种工况示意(单位:cm，待续)

续图4 4种工况示意(单位:cm)

3.2 横系梁刚度设置

双柱桥墩、系梁及桥墩盖梁形成门式框架体系是多次超静定结构，横系梁刚度与墩柱刚度大小直接影响结构能力分配。横系梁刚度过小可能导致分配内力小，墩柱破坏而横系梁却没有损害，因而没起到消耗地震动能量;横系梁刚度过大导致分配内力大，横系梁与墩柱节点破坏，可能出现横系梁掉落没有起到消耗地震动能量。因此，选择适中横系梁刚度，使之在地震作用下处于弹塑性范围内，有效调整墩柱受力;在设计地震及罕遇地震下能够墩身进入塑性状态，通过横系梁的损伤来消耗一部分地震动能量，减轻墩柱承受的地震反应，保护桥梁结构安全［4，5］。

本节采用模型4，将横系梁采用不同截面进行分析比较，计算结果如表2所示。

表1 横系梁设置分析结果

表2 横系梁不同截面尺寸下内力比较

计算结果表明，横隔梁刚度增大，相应墩柱弯矩减少，剪力增大;当横系梁尺寸1.2 m×1.2 m时，横系梁与墩柱剪力、弯矩相当，对结构体系比较有利。可以得出，横系梁刚度与墩身刚度比在0.4～0.6范围时，桥梁抗震性能比较好。

4 结论

1)横系梁不仅能提高桥墩稳定性，还能够调整桥墩弯矩，增加桥梁整体抗震性能。

2)从抗震性能上分析，柱系梁设置个数能有效减少墩柱弯矩，调整墩柱受力，有效提高桥梁结构抗震性能，因此，柱系梁应根据墩身高度相应增加。

3)横系梁刚度对双柱式桥墩内力分配影响较大。通过分析表明，当横系梁刚度与墩身刚度在0.4～0.6范围内比较合理，墩身弯矩与横系梁弯矩相当，能起到地震动耗能作用。

［1］JTG D63－2007，公路桥涵地基与基础设计规范［S］.

［2］康俊涛，王国鼎.无桥台斜腿刚架桥横系梁的设置分析［J］.公路，2006(4):86－89.

［3］李健刚，杜玉东，魏燕玲，等.横系梁对双肢薄壁高墩刚构桥稳定性的影响分析［J］.铁道工程学报，2008(11):31－34.

［4］贡金鑫，张 勤，王雪婷.从汶川地震中桥梁震害看现行国内桥梁抗震设计方法(二):抗震设计与构造［J］.公路交通科技，2010，22(10):35 －46.

［5］陈 淮，王 艳，葛素娟.白河特大桥主桥抗震性能分析［J］.公路交通科技，2008，25(3):103－108.