中系梁对双柱式桥墩受力性能影响研究

许梁, 邹黎琼, 平晓文

(湖北省交通规划设计院股份有限公司， 湖北 武汉 430051)

中国交通运输事业发展迅速，公路建设取得了突飞猛进的成果。当前，高速公路路线上的标准跨径桥梁基本采用梁式桥的结构形式，下部结构一般采用双柱式桥墩。桥梁设计中，根据实际情况针对桥梁所处不同地形地貌、地质条件及桥墩高度等，会在双柱墩之间加设中系梁，以增加墩柱的稳定性，改善结构受力。

由于中系梁的设置将直接改变下部结构的力学结构形式，中系梁设置位置、设置数量等，都将对墩柱结构的内力产生不同的影响。因此，对双柱式桥墩中系梁设置的问题进行探讨，将有助于桥梁下部结构的最优化设计，达到在保证桥梁结构安全的前提下，寻找出中系梁设置最优方案的目的。

1 工程背景

根据高速公路桥梁常用标准跨径结构形式，该文选取5×30 m装配式连续梁桥作为主要研究对象，上部结构为小箱梁结构，采用先简支后连续形式，下部结构采用双柱式桥墩，全桥总宽12 m。主梁标准横断面及桥墩一般构造图如图1、2所示。单片小箱梁高1.6 m，中梁宽2.4 m，边梁宽2.85 m，湿接缝宽0.5 m；桥墩高度选取20 m和30 m两种，根据地形不同，桩基长度选取50 m与15 m进行考虑，墩径为1.6 m，桩基墩径为1.8 m，系梁高1.5 m，宽1.2 m。支座采用普通橡胶支座。

图1 主梁标准横断面(单位：cm)

图2 桥墩一般构造图(单位：cm)

2 有限元模型

2.1 平原区模型

为了探讨中系梁对双柱式桥墩受力性能的影响，采用有限元软件Midas/Civil 2015对桥梁结构进行空间建模分析。上部结构采用梁单元建立4道主梁，主梁横向之间采用虚拟梁连接，模拟主梁间的横向刚度；下部结构采用空间梁单元模拟，桩土相互作用采用等代土弹簧模拟；上下部结构连接按支座实际位置采用弹性连接进行模拟。结构桥面铺装、防撞护栏等二期恒载以均布力的方式进行简化考虑。4#墩为固定墩，设置固定支座，其余均为滑动支座。

令中系梁中线位置距桥墩顶部高度为h，桥墩高度为H。考虑到中系梁设置位置、设置数量的变化将对结构内力产生一定影响，分别建立墩柱高20 m与墩柱高30 m两种情况下的9类工况模型：① 无中系梁；② 单根中系梁高度h=0.25H；③ 单根中系梁高度h=0.4H；④ 单根中系梁高度h=0.5H；⑤ 单根中系梁高度h=0.6H；⑥ 单根中系梁高度h=0.75H；⑦ 2根中系梁h1=H/3，h2=2H/3；⑧ 3根中系梁h1=H/4，h2=2H/4，h3=3H/4；⑨ 4根中系梁h1=H/5，h2=2H/5，h3=3H/5，h4=4H/5。

2.2 山区模型

考虑到山区桥址位置易出现地形高低起伏不平的情况，基于平原地区模型进行相应的参数调整。对应于平原地区墩高20 m情况下，山区模型修正为1#、6#墩墩高5 m，2#、5#墩墩高10 m，3#、4#墩墩高20 m；对应于平原地区墩高30 m情况下，山区模型修正为1#、6#墩墩高7.5 m，2#、5#墩墩高15 m，3#、4#墩墩高30 m。桩基长度调整为15 m，嵌岩桩形式。横系梁设置工况同平原地区，由于边跨桥墩墩高较矮，故针对工况⑧、工况⑨，仅调整3#、4#墩横系梁设置位置，其余墩柱的横系梁设置参数按工况⑦设置。

3 动力特性分析

桥梁的动力特性包括结构的振动频率、振动周期及振型等，这些参数直接反映出桥梁结构的动力性能，并能由此得出结构的动力响应效果。以平原区桥梁结构形式为分析对象，遵循单一变量原则，以中系梁设置数目及位置为变量，对其进行桥梁动力特性分析。考虑到中系梁主要对桥梁的横向动力特性产生影响，以桥梁第1、2阶对称侧弯及第1、2阶反对称侧弯为研究模态，模型振动周期对比如表1所示。

表1 20、30 m桥墩模型振动周期

由表1可知：

(1) 20 m墩高时，工况②～⑥(设置1根中系梁)比工况①(无中系梁)的1阶正、反对称侧弯振动周期分别减少了15.3%～23.4%、14.2%～22.1%。其中，以工况④(中系梁设置在桥墩中心时)振动周期减少量最大；工况⑦(设置2根中系梁)比工况④的1阶正、反对称侧弯振动周期分别减少了8.9%、8.3%；工况⑧(设置3根中系梁)比工况⑦的1阶正、反对称侧弯振动周期分别减少了4.2%、3.7%。由此可见，中系梁的设置对于桥梁结构横向动力响应影响明显，特别是在设置1根中系梁以后，能够有效提高桥墩的横向刚度，中系梁设置在桥墩中心时，整个结构的框架效应最为明显，结构刚度最大。随着中系梁设置数目的增加，横向刚度增强的效果逐渐减小，对结构刚度变化影响逐渐降低。

(2) 30 m墩高时，不同工况振动周期变化趋势与20 m墩高相同，工况②～⑥比工况①的1阶正、反对称侧弯振动周期分别减少了18.7%～29.1%、18.0%～28.8%。中系梁对桥梁结构横向刚度的提高效果，随着桥梁墩高的增加，更加明显。

4 地震响应分析

4.1 地震参数选取

对于桩柱式墩台，在地震荷载作用下，桥墩往往需要承担较大的水平力作用，特别是在横桥向水平地震力作用下，极易造成破坏。中系梁的设置，在一定程度上能够缓解地震水平力对下部结构的影响，改善墩柱的受力。由于桩柱式桥墩结构广泛应用于中国大部分的高速公路桥梁设计中，根据中国地震动反应谱特征周期区划图，选取平原区(湖北地区)及山区(四川地区)为研究区域背景，分析中系梁设置对桥梁结构的地震响应影响。

区域参数分别为：① 平原区，桥位区地震动峰值加速度系数为0.05，地震动反应谱特征周期为0.35 s，抗震设防烈度为Ⅵ度，抗震设防措施等级为Ⅶ度；② 山区，桥位区地震动峰值加速度系数为0.1，地震动反应谱特征周期为0.4 s，抗震设防烈度为Ⅶ度，抗震设防措施等级为Ⅷ度。

根据JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》，采用反应谱法对上述工况进行E1地震作用分析。根据平原区和山区的区域特征参数，选取阻尼比为5%设计场地无量纲加速度反应谱函数，反应谱采用横向输入。平原区和山区的地震动设计加速度反应谱如图3所示。

图3 地震动设计加速度反应谱

由以上加速度反应谱对不同的中系梁设置模型进行地震响应分析，通过对比分析墩顶水平位移、墩身弯矩、中系梁梁端最大弯矩及最大轴力，分析中系梁设置对墩柱结构地震响应影响。

4.2 墩顶水平位移比较

对有限元模型进行地震响应分析，图4、5分别为20、30 m墩高时平原区和山区的墩顶水平位移值。

由图4、5可以看出：

(a) 平原区

(a) 平原区

(1) 设置中系梁后，墩顶的横向位移明显减小。在设置1道中系梁方案中，h=0.5H方案最佳。对比中系梁设置方案，设置1道中系梁后，墩顶位移平原区最大减少了39.9%，山区减少了19.6%；设置2道中系梁比1道中系梁的方案，两个地区墩顶位移最大分别减少了17.0%和7.8%。设置3道中系梁比2道中系梁的方案，两个地区墩顶位移最大分别减少了5.7%和2.9%。中系梁随设置数目增加，对墩顶位移的改善效果越小。在整个方案中，以设置1道中系梁于桥墩中心处方案，对墩顶水平位移改善效果最佳。

(2) 30 m墩高时，模型墩顶位移变化趋势与墩高20 m基本相同，但墩顶水平位移绝对值基本为20 m墩高时的1.4～3.8倍。这说明，随着墩高的增加，墩顶位移呈现为一个较为明显的增加。增加倍数略高于墩高比值。设置1道中系梁后，墩顶位移平原区最大减少了39.9%，山区减少了19.6%，说明中系梁设置随着墩高的增加，减小墩顶水平位移的效果有所降低。

(3) 对比平原区和山区的墩顶位移值变化，平原区墩顶位移优化效果明显好于山区，这说明中系梁设置在平原地区的抗震优化设计中更能发挥其作用。

4.3 墩身弯矩比较

以桥梁模型中4#墩为研究对象，对不同模型工况在地震力作用下，墩底弯矩进行比较分析。表2为墩身弯矩的变化。

表2 20、30 m墩高平原区、山区墩身弯矩比较 kN·m

由表2可以看出：

(1) 中系梁的设置对改善墩身弯矩具有明显的积极作用。增加中系梁后，在中系梁设置位置将会出现一个弯矩的突变点，从而使得原结构的墩顶、墩底最大弯矩大大减小，这对于结构的抗震设计是极为有利的。根据中系梁设置的位置，单根中系梁方案中，位置位于墩身中部时，最为合理。同样，中系梁设置过多后，对弯矩的改善作用也在逐渐下降。

(2) 不同的墩高对墩身弯矩有一定的影响，但影响不大；不同的地震场地效应影响较为明显。根据以往的设计经验及模型模拟结果，位于山区位置的双柱墩在无中系梁的状况下，很难达到安全标准。

4.4 墩身最大轴力比较

以桥梁模型中4#墩为研究对象，对比分析不同模型工况下墩身最大轴力值。比较结果如表3所示。

表3 4#墩墩身最大轴力比较 kN

由表3可以看出：随着中系梁位置和数目的变化，墩身最大轴力呈现一个增加的趋势。在设置单根中系梁方案中，随着中系梁设置位置从上至下，墩身最大轴力亦呈现一个递增的状态。这是由于中系梁的增加，改变原有的结构受力状态，在改善结构弯矩的前提下，增加了墩柱的轴力。考虑到混凝土结构一般为受压构件，轴力的增加对于结构的受力性能不会产生过大的影响，因此轴力的增加在一定范围内是可以接受的。

5 屈曲分析

中系梁的设置对于桥梁结构横向稳定性有积极作用。中系梁增加了桥梁结构的横向刚度，对结构的稳定性具有一定的提高作用。对上述模型进行屈曲对比分析，可以反映出中系梁对桥梁结构横向稳定性的改善效果。

以平原地区有限元模型为例，分别以20、30 m墩高模型4#墩为研究对象，单独取墩柱结构为脱离体进行有限元分析，考虑桥梁的汽车活载，将上部结构的自重、二期恒载及活载转化为静力形式，施加于下部结构脱离体，并进行屈曲分析，通过比较下部结构在桥梁运营过程中的稳定系数，对中系梁设置影响进行分析。图6为不同模型工况的稳定系数对比图。

图6 不同模型工况的稳定系数对比图

由图6可知：无论是20 m墩高还是30 m墩高的情况下，中系梁的设置对桥梁结构纵向稳定性几乎没有任何的影响，但是能对结构的横向稳定性起到较大的改善作用，由此可见：改善效果最佳的方案是将1道中系梁设置于墩身中间位置。随着中系梁设置数目的增加，对于稳定性的提高效果越来越小。墩高越高，中系梁增加对桥梁横向稳定性改善效果越好。

6 结论

(1) 中系梁设置对改善桥梁结构横向刚度具有积极作用，设置单根中系梁位于桥墩中心位置时，对减小桥梁结构横向振动周期，提高结构刚度效果最佳，且随着墩高增加，提高效果越好。

(2) 中系梁的设置能够有效地提高结构的抗震效果，改善结构在水平地震力作用下的动力响应。采用反应谱法对结构在不同场地(平原区和山区)效应下进行E1地震分析，设置中系梁后能够明显减小墩顶的水平位移。单根中系梁设置方案中，设置在桥墩中心位置效果最佳；墩顶水平位移改善效果速率随中系梁数目增加而降低。设置中系梁后，原结构的力学特点改变，使得下部结构产生了较为明显的框架效应，原结构墩顶及墩底的弯矩大大减小。墩身轴力随中系梁数目增加呈增大的趋势，但在安全范围内。

(3) 中系梁设置能够有效地提高双柱式结构的横向稳定系数，而对纵向稳定系数没有影响。从提高的效果来看，中系梁数目越多，效果越好；从经济的角度来看，单根中系梁设置于桥墩中心位置时，最为合理。