系梁对双肢薄壁高墩抗震性能影响分析

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(石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄　050043)

0　引言

西部开发战略的实施使得我国西南、西北山区公路和铁路的兴建正方兴日盛。由于西部地区特殊的地形地质条件，桥梁跨越深沟峡谷或大江大河往往采用高墩大跨连续刚构桥的结构形式。西部地区的初步调查表明：在已建成及正在设计规划中的高等级公路中，墩高超过40 m的高墩桥梁占桥梁总数的40%以上[1]。

目前，对于高墩大跨桥梁的抗震设计还没有专门的规范，都是参考《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02.01.2008)[2]和《铁路工程抗震设计规范》(GB50111．2006)[3]进行抗震分析设计。但是，在桥墩墩高方面，现行规范只对墩高不超过40 m的桥梁作了相关的规定。高墩刚构桥结构形式复杂，一般多采用薄壁墩，长细比较大，纵向刚度较小，与中、低墩的抗震性能明显不同，通常采用设置系梁的方式来改善其受力特性[4]。同时既有研究表明，系梁与墩身的刚度比、系梁的构造参数及系梁设置的数量均对双肢高墩的抗震性能具有一定的影响[5]。

基于此， 选取一座典型高墩大跨刚构桥梁，通过ABAUQS建立双肢薄壁高墩的空间精细化有限元分析模型，采用拟静力分析方法，分析系梁的配筋率、配箍率，系梁-桥墩刚度比及系梁的设置数量对双肢薄壁高墩滞回性能的影响，给出系梁合理的布置方式及抗震设计建议。

1　工程概况及有限元模型建立

本文依托某实际高墩大跨连续刚构桥。该桥全长540 m，其跨径布置为75 m+ 3×130 m+75 m。上部结构采用单箱单室预应力箱型主梁，箱梁全宽12.0 m。双肢薄壁墩为实心矩形截面，单肢截面尺寸为1.2 m×5.6 m，双肢纵桥向轴距4.8 m。全桥主梁及桥墩混凝土强度等级为C50，纵向受力钢筋均为HRB335级钢筋，箍筋均为HPB300级钢筋。

首先建立全桥杆系模型，如图1所示，得到桥墩墩顶压力，然后在ABAQUS中建立2#双肢薄壁高墩的精细化有限元模型，如图2所示。混凝土受压应力-应变关系采用Kent-Park模型，如图3所示，受拉应力-应变关系采用下式[6]

图1　全桥杆系模型

图2　双肢薄壁高墩实体模型

图3　C50混凝土受压应力-应变关系曲线

(1)

式中，ft为混凝土轴心抗拉强度标准值，x=ε/εp,εp为混凝土的受拉峰值应变，图4为混凝土受拉应变-应力关系曲线。钢筋受拉应力-应变关系采用理想弹塑性材料的二折线模型。混凝土采用8节点六面体线性减缩积分三维实体单元(C3D8R)，钢筋采用两结点线性三维TRUSS单元(T3D2)。模型中在墩顶施加变幅值低周往复水平位移荷载作拟静力分析。图5为墩顶纵桥向位移加载控制曲线。

图4　C50混凝土受拉应力-应变关系曲线

图5　墩顶纵桥向水平位移加载曲线

2　系梁构造参数影响分析

目前，规范对于系梁的规定并不明确，多数设计中对系梁的截面尺寸和配筋一般都是按照经验进行设计，而这些对桥墩抗震性能的影响还鲜有人研究。改变系梁的纵筋配筋率、配箍率和系梁-桥墩的刚度比研究其对双肢薄壁高墩的抗震性能影响。系梁-桥墩刚度比r如式(2)所示，不计混凝土中纵筋配筋率、配箍率影响，式中Ech,Ecp分别为系梁、桥墩的混凝土弹性模量，Ib,Ip分别为系梁、单肢桥墩的惯性矩，具体相关数值见表1，系梁位置为高墩1/2处，原系梁截面为5.6 m×0.8 m。

(2)

表1　系梁构造参数

改变系梁构造参数，得到墩顶的力-位移曲线如图6～图8所示。从图6与图7中可以得出，设置 1 道系梁时，改变系梁纵筋配筋率、配箍率，对双肢薄壁高墩的滞回特性影响并不显著。因此，提高系梁纵筋配筋率、配箍率用于抗震耗能效率较低。从图8中可以得出，设置1道系梁时，改变系梁-桥墩刚度比，当桥墩处于弹性阶段，刚度比变化对抗震耗能有较小影响，当发展到塑性阶段，刚度比为0.36时，墩顶位移最小，有利于保护桥梁上部结构。

图6　配筋率影响墩顶力-位移曲线

图7　配箍率影响墩顶力-位移曲线

3　系梁数量影响分析

系梁的设置数量会影响双肢桥墩塑性铰的出铰位置、出铰数量和出铰顺序等。根据工程实际情况，双肢薄壁桥墩一般最多设置 3 道系梁。参数分析时，保持依托工程中系梁构造参数不变，系梁截面尺寸为5.6 m×0.8 m，纵筋配筋率为1.65%，配箍率为0.43%，取系梁的数量分别为0，1，2，3，将系梁沿墩高均匀布置，系梁间距分别为45 m，22.5 m，15 m，11.25 m，得到桥墩墩顶力-位移曲线如图9所示。

当墩顶反力最大时，水平位移为70 mm。参照文献[2]计算得到当设置1道系梁时，墩顶容许位移为72 mm，计算前一滞回环消耗能量，即墩顶位移从0到70 mm的循环过程，如图10所示。

图8　刚度比影响墩顶力-位移曲线

图9　系梁设置道数影响墩顶力-位移曲线

图10　系梁设置数量耗能对比

从图9和图10中得到，双肢薄壁高墩是否设置系梁以及系梁的数量对桥墩滞回特性影响较大。系梁数量设置越多、间距越小时，墩顶位移越小，滞回曲线发展越饱满，越有利于抗震耗能。另外，随着系梁设置数量增加，耗能增加比率下降。

4　结论

(1) 连续刚构桥双肢薄壁高墩系梁设置与否以及设置数量对桥墩滞回性能有较大影响。系梁数量设置越多时，墩顶水平位移越小，滞回曲线发展越饱满，越有利于抗震耗能；但随着系梁设置数量增加，耗能增加比率下降。

(2) 系梁构造参数对桥墩耗能影响较小，影响效果从大到小为系梁-桥墩刚度比、系梁配筋率、系梁配箍率。建议抗震设计中选用系梁-桥墩刚度比为0.30～0.42之间，系梁选用构造配筋率、构造配箍率即可。

(3) 鉴于以上两条，建议在满足稳定与施工稳定的条件下优先选用增加系梁数量的方法来提高桥墩耗能能力。

[1]梁智垚，李建中．桥梁高墩合理计算模型探讨[J]．地震工程与工程振动，2007， 27(2)：91-98．

[2]中华人民共和国交通运输部．JTG/T B02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S]．人民交通出版社，2008．

[3]中华人民共和国国家标准．GB50111—2006铁路工程抗震设计规范[S]．北京： 中国计划出版社出版，2006．

[4]沈星,叶爱君，王晓伟.柔性横系梁双柱墩的抗震行为分析[J].同济大学学报:自然科学版, 2013，41(3):342-347.

[5]兰峰,王克海.中小跨径双柱式高墩柱桥梁横系梁对抗震性能的影响[J].公路交通科技,2011,28(5):92-98.

[6]中华人民共和国国家标准．GB50010—2010混凝土结构设计规范[S]．北京： 中国建筑工业出版社，2010．