基于地震响应分析下0.2g 地区中小跨径规则桥梁取消桩顶系梁桥墩安全性分析

赵国华

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州）

西部山区地貌、地质复杂，河道狭窄，跨河段山区高速公路一般采用中小跨径规则桥梁，采用大角度跨越河流，局部段落顺河道走向布置。处在河道中的桥梁，百年一遇洪水位及冲刷深度均较大，设置桩顶系梁势必增加河道内阻水面积、增加桥梁桩基冲刷，对桥梁结构安全及耐久性不利。本文以陇南山区0.2g 地区某高速公路桥梁30 m 跨预应力混凝土小箱梁为背景，针对顺河桥梁及大角度跨越桥梁，利用Midas Civil 分别建立河滩型与沟谷型模型，探讨取消桩顶系梁对桥墩安全性的影响，并结合工程实际与理论分析，提出河道中取消桩顶系梁后为防止桩基冲刷及增加横向刚度的措施，以期为类似工程提供参考。

1 项目概况

分别选取陇南山区0.2g 地区某高速公路典型沟谷型与河滩型桥梁为背景，研究双柱式桥墩取消桩顶系梁对桥墩安全性的影响。所分析桥梁上部结构均采用30 m 跨预应力混凝土小箱梁。沟谷型模型墩高依此为5、10、20、10、5 m，墩径包含1.5 m、1.6 m 两类，桩长25 m，桩径包含1.7、1.8 m，支座根据墩高及位置不同分别选取HDR (Ⅰ)-d420×187-G1.0、LNRd420×128、LNR(H)-d320×118 支座，河滩型模型墩高20 m，墩径1.6 m，桩长25 m，桩径1.8 m，支座根据使用位置不同分别选取LNR-d420×128、LNR (H)-d320×118 支座。桥位处均上覆圆砾层，其下为强、中风化泥岩，地震基本烈度为Ⅷ度，特征周期为0.40 s，Ⅱ类场地。

2 有限元模型分析

2.1 几何模型

通过有限元软件Midas Civil 分别建立沟谷型与河滩型空间动力计算模型，结合《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）进行地震响应分析，沟谷型采用一联4×30 m 模型，分有系梁与中间墩取消桩顶系梁两种工况，河滩型采用三联模型考虑相邻结构和边界条件对计算跨的影响，分有系梁与各墩均取消桩顶系梁两种工况[1]。上、下部结构均采用梁单元，支座根据支座型号对应参数采用弹性连接进行模拟，桩土相互作用根据《公路桥涵地基与基础设计规范》利用m 法计算后采用节点弹性支承模拟，上部结构不考虑预应力次反力对桥墩内力的影响及二期恒载提供的刚度[2]。特征值分析类型采用多重Ritz 向量法，振型组合类型采用CQC。河滩型模型如图1 所示。

图1 河滩型模型

2.2 模型本构关系

桥墩、桩基及系梁均采用C35 混凝土，约束混凝土的本构采用Mander 本构，受力钢筋采用HRB400钢筋，采用双折线模型。

3 E1 地震作用分析

E1 地震作用下的桥梁结构应处弹性状态，地震作用效应和永久作用效应组合后，按公路桥涵设计规范有关偏心受压构件的规定进行桥墩强度的验算，E1地震作用下墩柱主要控制截面验算如表1 所示，对比有无墩柱间横系梁的计算结果可知:

表1 E1 地震作用控制截面验算表

（1） 是否设置桩顶系梁对桥墩E1 地震下效应及抗力影响不明显。对本工程所取截面及配筋下偏心受压承载力而言，取消桩顶系梁后效应最大变化幅度为0.5%，且系梁取消前后墩柱强度均有较大富裕度。

（2） 受柱间系梁影响，取消桩顶系梁后，靠近墩顶截面作用效应较取消前略有增大，靠近墩底截面作用效应略有降低，取消桩顶系梁对墩顶截面受力偏不利。

4 E2 地震作用分析

E2 地震作用下，应验算桥墩墩顶的位移，对高宽比小于2.5 的矮墩，可不验算桥墩变形，顺桥向和横桥向地震作用效应和永久作用效应组合后，应按现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）相关规定验算桥墩抗弯和抗剪强度，截面抗弯能力可采用材料强度标准值计算[3]。

4.1 E2 地震作用弹性验算

由表2 中数据可以看出：

表2 E2 地震作用弹性状态验算表

（1） 无论是否取消地系梁，E2 地震作用下均不满足弹性状态桥墩强度验算要求，桥墩已进入塑性，需进行弹塑性分析验算桥墩墩顶位移及塑性铰抗剪。

（2） 取消地系梁后，地震响应作用效应及抗力均降低，降低幅度基本一致，但抗力降低幅度较效应稍小，取消桩底系梁对其抗震影响较小。

4.2 E2 地震作用弹塑性验算

对双柱墩、排架墩，其顺桥向的容许位移可按《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）7.4.4 相关公式计算，塑性铰区域的最大容许转角应根据极限破坏状态的曲率能力，按下式计算，极限破坏状态的曲率能力u 应通过考虑最不利轴力组合的P -M -曲线确定。

其中，u-极限破坏状态的曲率能力（1/cm）；

Kds-延性安全系数，可取2.0。

横桥向容许位移可在盖梁处施加水平力F 后进行非线性静力分析（Pushover 分析），当墩柱的任一塑性铰达到其最大容许转角或塑性铰区控制截面达到最大容许曲率时，盖梁处横向水平位移即为容许位移。截面的等效屈服曲率和等效屈服弯矩可通过把实际的轴力-弯矩-曲率曲线等效为理想弹塑性轴力-弯矩-曲率曲线来求得，等效方法可根据两种曲线阴影面积相等求得（图2），计算中应考虑最不利轴力组合。采用反应谱法计算墩顶位移时，延性构件有效截面抗弯刚度按下式计算，对圆形和矩形截面，也可根据《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166-2011）附录A 按照轴压比及纵筋截面配筋率查表得出[4]。

图2 最不利组合下桥墩弯矩图

横桥向容许位移采用非线性静力分析（Pushover）通过屈服轴力迭代得出，借助XTRACT 截面分析软件及Pushover 模型，柱间系梁较墩柱更早进入屈服状态，故横桥向位移验算时忽略柱间系梁对约束位移的有利影响。分析结果见表3。

表3 E2 地震作用弹塑性状态墩顶位移验算

由表中数据可以看出：

（1） 桩顶系梁设置影响横桥向桥墩顶容许位移，对顺桥向容许位移基本无贡献。取消桩顶系梁后横桥向盖梁顶位移及容许位移均相应增大，取消系梁可增大墩顶容许位移。

（2） 取消地系梁桥墩纵、横向盖梁顶位移验算均满足规范要求。

（3） 河滩型模型因全桥取消桩顶系梁，导致无系梁工况较有系梁工况纵横向位移有较大变化，沟谷型桥梁因只有中间墩取消，故对纵横向位移影响较小。

4.3 墩柱塑性铰区域斜截面抗剪验算

E2 地震作用下桥墩抗剪按能力保护构件进行设计，墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度按《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）7.3.4计算，见表4。

表4 E2 地震作用桥墩塑性铰区抗剪强度验算

塑性铰区抗剪强度均满足规范要求。

4.4 E2 地震作用下各工况作用效应对比

选取河滩型模型分别对取消桩顶系梁前后地震作用效应和永久作用效应最不利组合下桥墩所受弯矩、剪力进行对比分析如图2 所示。取消桩顶系梁后，最大弯矩、剪力均相应增大，最大弯矩出现在墩柱桩基过渡段，最大剪力出现在桩基上。对所研究桥墩而言，取消桩顶系梁后弯矩增大约9.6%，剪力减少约1.2%，桩顶系梁对降低柱底弯矩效果显著，对抗剪不利。桩基剪力及弯矩均比取消前增加，故实际设计过程中，在确保桥墩安全条件下，应加强桩基顶部局部范围内桩基刚度及抗剪能力。

5 增大桩径对地震响应影响分析

根据前述分析，本项目构造尺寸及配筋率下双柱墩桥梁取消桩顶系梁后桥梁墩柱抗震性能满足规范要求，但有一定程度影响。取消桩顶系梁后为改善墩柱抗震性能，拟适当增大桩径，并于局部冲刷线以上桩基处增设镀锌钢护筒，通过计算验证其实用性。钢护筒一方面可增加桩基刚度，又可保护桩基免受水流直接冲刷。本文拟将原桩基直径增大10 cm，钢护筒壁厚14 mm，护筒直径较桩基大30 cm，中间填塞缓冲橡胶等材料，计算模型按较原桩基直径等效增大20 cm 进行受力分析，对比见表5。

表5 E2 地震作用弹塑性状态无系梁工况增加桩径前后墩顶位移对比

经核算，增加桩基直径后桩顶位移略有减少，且对容许位移有影响，故小范围调整桩基直径对改善墩柱抗震性能效果不佳，取消地系梁后可仅增设镀锌钢护筒保护桩基。

6 结论与建议

（1） 针对0.2g 地区中小跨径规则桥梁通过地震效应分析得出，对满足抗震需求尺寸及配筋率条件下桥梁下部结构位于百年一遇洪水位及冲刷深度较大地区时，可通过取消设置于桩顶的系梁来减少阻水，且通过桩顶增加镀锌钢护筒等措施，提高桥梁耐久性及结构安全。

（2） 取消桩顶系梁后墩底及桩顶一定范围内弯矩增大，剪力减小，系梁对降低柱底弯矩效果显著，对抗剪不利。实际设计过程中，对无桩底系梁桥墩桩基，宜比正常设计适当增加纵向配筋率，加强局部范围内桥墩桩基抗弯刚度。

（3） 沟谷型桥梁中间墩与河滩型桥梁墩高相同条件下，仅取消中间墩桩顶系梁的沟谷型抗震安全系数更大，对河滩型桥梁而言，宜结合现场条件及结构计算，尽量减少一联中无桩顶系梁桥墩个数。