横系梁对双柱式高墩桥梁抗震性能的影响分析

文／山西省交通规划勘察设计院有限公司 魏伟

关键字:横系梁，双柱式高墩，桥梁工程，抗震性能

1 工程概况

某山区双柱式高墩大跨桥梁位于地震活动频繁地带，主桥为长度3389m的简支钢桁梁桥，桥墩为钢筋混凝土式薄壁空心墩，其1#～4#墩均为高墩，桥梁主跨两侧为钢筋混凝土结构的简支梁。本高墩桥梁下部结构主要为直径2.0m的双柱式圆形墩，横系梁长*宽为1.5m*1.6m，1#~4#墩墩柱高度依次为19.0m、40.5m、41.2m和35.8m，1#墩横系梁设置在墩柱1/2处，其余墩横系梁分别设置在墩柱1/4、1/2和3/4处。本桥梁抗震性能分析主要采用人工地震波，地震加速度峰值为0.48g，且顺桥向进行地震波输入，历时20s，输入时间间隔为0.03s。

2 横系梁的设置

2.1 动力计算模型

本桥梁下部结构中双柱和盖梁共同构成门式框架，该结构在地震作用下其横桥向所传递而来的水平力主要由盖梁承载，并可能导致墩柱底端出现较大弯矩。通过在双柱之间增设横系梁能有效降低柱底可能出现的弯矩值。对弯矩值降低的程度和效果主要受横系梁刚度的影响，如其刚度过小，则无法起到调整双柱式高墩墩柱底端弯矩的作用；若刚度过大，则会增大横系梁周围墩身弯矩值，导致墩身承载力下降，还会因所使用横系梁材料量的增加而增大施工成本。

本高墩桥梁横系梁设置动力计算模型均依据梁单元建立，并将固结设置在墩底，1#和4#柱式墩与T梁的连接均采用弹性连接方式，2#和3#墩与T梁的连接则采用弹性中的刚性连接方式。按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的相关规定，本桥梁柱式墩台横系梁截面高度为墩柱直径的0.8~1.0倍，横系梁截面宽度为墩柱直径的0.6～0.8倍[1]，因其双柱式圆形墩直径为2.0m，故而横系梁截面高度和宽度分别取1.6m和1.4m。

模型Ⅰ：对于墩柱高度不同的1#~4#墩均在设计位置增设1道横系梁。根据本桥梁工程横系梁设置规律和要求，为保证框架结构受力的合理性，应将横系梁布置在于墩柱底端相距0.6h的位置（h为墩柱高度）。

模型Ⅱ：考虑到本桥梁墩柱较高，应加设2道横系梁，并将所加设的横系梁分别布设在于墩柱底端相距0.3h和0.7h的位置，横系梁截面仍按长*宽为1.5m*1.6m的尺寸设置。

2.2 动力特性的分析

本双柱式高墩桥梁动力特性模态参数主要包括桥梁结构振动周期、振型等，无横系梁、横系梁模型Ⅰ及模型Ⅱ下不同周期模态对比情况详见图1。

图1 不同周期模态对比情况

通过对不同模型下动力模态参数的比较，可得出三种桥梁结构模型下双柱式高墩桥梁结构的动力特性，前10阶动力模态参数取值详见表1。由表中数据比较可知，横系梁对桥梁结构纵向动力特性并不产生影响，但是对桥梁结构的横向受力性能影响较大。模型Ⅰ和模型Ⅱ的一阶振动周期比无横系梁情况分别降低了16.5%和23.8%，主要原因在于横系梁的设置使横桥向刚度大大增加，双柱式高墩桥墩结构整体受力性能显著增强。

表1 不同结构模型下周期与振型的对比

考虑到横系梁的设置只影响横桥向动力特性，所以还应进行三种模型下横桥向振型贡献程度大小的比较分析，无横系梁情况模型下，振型贡献率变动幅度为0.000~0.8373，模型Ⅰ下，振型贡献率变动幅度在0.0000~0.8278，模型Ⅱ下振型贡献率变动幅度为0.000~0.8099，以上数据充分表明，随着横系梁设置数量的增加，一阶振型贡献率呈减小趋势，且仅设置1道横系梁的高墩桥梁横桥向振动收敛速度较快，而设置2道横系梁后高墩桥梁横桥向高阶振型数量较多，充分表明设置2道横系梁能显著改善双柱式高墩桥梁结构刚度。

3 横系梁设置对抗震性能的影响

3.1 横系梁道数的选择

按照《公路桥梁抗震设计细则》的相关规定可得出50a超越概率10%且阻尼比5%的场地加速度反应谱，对无横系梁、横系梁模型Ⅰ及模型Ⅱ三种桥梁结构的反应谱分析，并得出双柱式高墩墩底及横系梁梁端弯矩最值以及墩顶横向位移值。根据反应谱分析结果，在双柱式高墩桥梁框架结构增设1道横系梁对墩身弯矩的降低效果并不显著，且横系梁梁端弯矩仍然较大，而增设2道横系梁能有效降低墩身弯矩，对结构受力较为有利。

3.2 横系梁位置及刚度的选择

3.2.1 横系梁位置的确定

根据上述分析可知，本次双柱式高墩桥梁增设2道横系梁后桥梁结构抗震性能提升效果显著，但是为保证2道横系梁维稳作用的充分发挥，还应当通过时程分析以准确确定其设置位置。此处所采用的时程分析地震波为修正后的Taft波，并进行不同柱墩墩底最大弯矩值与横系梁梁端最大弯矩值、墩顶最大位移值等的比较。横系梁在地震作用下回逐渐进入塑性状态，此时会有部分地震动能因消耗而削弱，在这一过程中横系梁作为一个主要的耗能部件能促使高墩桥梁结构延性和抗震性能的提升。

根据对反应谱的分析，通过在适当的位置加设2道横系梁能有效改善高墩受力状态，且横系梁设置位置对于其作用的发挥也至关重要，本文也主要针对不同的横系梁设置位置进行反应谱分析。根据目前所现有的双柱式高墩桥梁横系梁震害经验，在设计地震波的影响下，因横系梁抗弯抗剪能力有限而引发桥梁结构完全破坏，并大大延长桥梁结构振动周期，使桥梁结构所作用的地震力减小。在震害发生后横系梁结构会快速进入塑性状态，并通过其耗能机制消耗部分地震动能，从而提升双柱式高墩桥梁结构整体抗震性能。

4 结论

通过本文分析表明，将横系梁加设在双柱式高墩桥梁之间对桥梁纵向振动并不产生影响，但能有效提高墩身稳定性，并调节横桥向框架墩内力结构体系，使双柱式高墩墩身受力水平显著降低。根据对反应谱的分析，若在双柱式高墩桥梁加设2道横系梁以提升桥梁结构抗震性能，则横系梁应当设置在与高墩底端相距0.3h和0.8h的位置。横系梁结构的刚度是影响双柱式高墩桥梁结构内力分配的主要方面，当横系梁刚度和墩身刚度比为0.3~0.6时，则双柱墩和盖梁所形成的门式框架结构内力分配便达到最合理状态，墩身最大弯矩值较小，且横系梁也会因较小的弹性抗弯刚度而呈现塑性状态，充分发挥地震过程中耗能的作用，确保双柱式高墩桥梁结构的安全性。