獨柱墩橋梁的抗震性能及加固措施研究

伍偉聰

中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司 北京 100070

受限于工程建設(shè)條件及設(shè)計理念，我國很多老舊橋梁均采用獨柱墩設(shè)計。一方面，獨柱墩橋梁具有結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、工程成本較低等優(yōu)勢；另一方面，其穩(wěn)定性較其他結(jié)構(gòu)設(shè)計方式低，容易產(chǎn)生單邊傾覆風(fēng)險[1-2]。

針對上述問題，需要對獨柱墩橋梁進(jìn)行合理加固以防止橋梁損傷、破壞。葉嘉豪[3]基于某獨柱墩橋梁工程，深入分析了極端荷載作用下該獨柱墩橋梁的傾覆可能性，并提出了獨柱墩橋梁的抗傾覆驗算結(jié)果，進(jìn)一步提出了相應(yīng)的抗傾覆加固方式及施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)。馬玉榮等[4]基于數(shù)值分析，模擬了4種不同工況下獨柱墩橋梁的穩(wěn)定性，并求解了結(jié)構(gòu)自重與二期恒載作用下以及最不利荷載作用下的橋墩各支座反力。李帥[5]基于室內(nèi)振動試驗，深入分析了地震作用對獨柱墩橋梁橫向穩(wěn)定性的影響以及地震作用下橋梁抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)的計算方法，并基于研究結(jié)果提出橋梁的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨著汽車荷載的增加而減小的重要結(jié)論。向敏等[6]以某城市獨柱墩匝道橋工程為研究對象，利用有限元軟件對橋梁穩(wěn)定性展開了深入分析，并指出用碳纖維增強復(fù)合材料對橋墩進(jìn)行加固，可有效改善橋墩抗震性能的結(jié)論。

上述研究多集中在獨柱墩橋梁的橫向抗傾覆穩(wěn)定性研究上[7]，而對地震荷載作用下橋梁的縱向穩(wěn)定性研究較少。本文通過室內(nèi)設(shè)計并制作獨柱墩橋梁模型，展開了不同加速度下獨柱墩橋梁的振動試驗，深入探討了地震荷載作用下獨柱墩橋梁的動力響應(yīng)特征及縱向變形規(guī)律。

1 試驗設(shè)計

1.1 橋梁模型設(shè)計與制備

由于實驗室振動臺設(shè)備的最大可執(zhí)行振動的振動臺尺寸范圍為10 m×8 m，考慮到橋梁模型安裝及錨固問題，因此初步設(shè)計橋梁的最大跨度為8 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)原理，按照1∶3的比例制作了單跨獨柱墩簡支梁橋模型。橋梁結(jié)構(gòu)立面布置如圖1所示，比例模型相似參數(shù)如表1所示。支座A采用固定墩支座錨固方式，支座B采用縱向滑動支座錨固方式。經(jīng)過強度設(shè)計，墩柱配筋的主要參數(shù)為：直徑500 mm，縱筋16φ16 mm（計算配筋率1.65%），箍筋φ8 mm（計算配筋率0.72%）。

1.2 振動試驗方案

圖1 橋梁模型立面

表1 模型與原型的相似參數(shù)

本次試驗選用E1 Centro型地震波輸入振動設(shè)備，且對振動臺面設(shè)置了0.06g、0.12g、0.18g、0.21g、0.24g及0.255g共計6個不同加速度下的振動試驗，最大振動加速度為0.255g。分別在主梁及振動臺面不同地點設(shè)置了3個加速度傳感器，在2個墩柱及梁上設(shè)置了6組位移與應(yīng)變傳感器。典型EI Centro的振動波時程曲線如圖2所示。由圖2可見，振動波隨著時間不斷衰減，最大加速度值逐漸減小直至趨于0。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 振動波形分析

根據(jù)加速度傳感器檢測結(jié)果，繪制出6個不同加速度工況下獨柱墩橋梁橋面及振動臺的加速度時程曲線。受限于文章篇幅，本文僅給出最大加速度（0.255g）工況下橋面縱向與振動臺加速度時程曲線，如圖3所示。由圖3可知，在振動波的作用下，振動臺及橋面的振動加速度出現(xiàn)持續(xù)的振蕩趨勢，但隨著振動荷載的不斷進(jìn)行，最大加速度幅值不斷降低，呈逐漸衰減趨勢。這是因為輸入的振動波能量不斷被橋梁結(jié)構(gòu)消耗，導(dǎo)致振動加速度峰值越來越小。

對于振動臺面與橋面來說，由于振動臺面與試驗設(shè)備之間固定較好，因此其振動加速度與輸入加速度較為接近；而對于獨柱墩橋梁來說，由于一端（柱墩A）與振動臺固定，而另一端采用滑動支座（柱墩B），因此獨柱墩橋梁在振動過程中產(chǎn)生的振動幅度與速度更大，其加速度始終大于振動臺加速度，且最大加速度達(dá)到0.76g。

2.2 位移分析

本次試驗研究共設(shè)置了6個不同加速度工況。在不同振動試驗條件下，柱墩A、柱墩B及橋面中點處的最大位移如表2所示。由表2可知，對于獨柱墩橋梁，不同測點之間的最大位移存在較大的差別，且符合柱墩A＞橋面＞柱墩B的變化規(guī)律。分析認(rèn)為，這是由于柱墩A是固定柱墩，而柱墩B是活動柱墩，對振動臺輸入的能量有很好的消除能力，因此其在持續(xù)的振動荷載作用下最終產(chǎn)生的不可逆變形最小。而橋面中點位于柱墩A與柱墩B之間，因此其最大位移也介于柱墩A的最大位移與柱墩B的最大位移之間。

表2 不同加速度下獨柱墩橋梁不同測點的最大位移 單位：mm

隨著加速度的逐漸增大，柱墩A、柱墩B及橋面的最大位移逐漸增大，最大加速度下各不同測點的最大位移分別是最小加速度工況下的7.78、3.36及3.50倍。由此可見，振動臺輸入加速度越大，則獨柱墩橋梁的位移越大，這表明在高等級地震作用下橋梁更容易發(fā)生破壞。

2.3 橋墩應(yīng)變

由前述分析可知，受地震波影響，柱墩A的變形明顯大于柱墩B，因此要探討在振動荷載作用下獨柱墩橋梁整體的穩(wěn)定性，最重要的是驗證柱墩A的穩(wěn)定性與變形。圖4為不同加速度工況下柱墩A不同截面高度的最大應(yīng)變。由圖4可見，隨著加速度的逐漸增大，各不同截面的應(yīng)變逐漸增大，這與前述研究結(jié)果一致。

圖4 不同工況下柱墩A不同截面處應(yīng)變

進(jìn)一步觀察到，對于獨柱墩A而言，其各個不同截面的應(yīng)變量不同，且均呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。分析認(rèn)為，由于柱墩A底座與振動臺之間是固定連接的，接觸面剛度較大，因此其縱向應(yīng)變?yōu)?。隨著截面高度越來越大，底部的約束效應(yīng)逐漸降低，柱墩的應(yīng)變也越來越大，最大應(yīng)變點位于離地面20 cm高度處。但由于橋面對節(jié)點的變形有一定的限制作用，因此，30 cm截面高度處的應(yīng)變較20 cm處要小。

綜上所述，在地震作用下，獨柱墩橋梁在橋面與活動支座處產(chǎn)生的位移以及變形較小，而在固定柱墩處發(fā)生較大的變形甚至產(chǎn)生破壞。因此，建議對柱墩處，尤其是固定柱墩進(jìn)行有效加固，比如采用加筋、提高混凝土強度等級及增加箍筋數(shù)目等手段。

3 結(jié)語

本文基于室內(nèi)試驗設(shè)計并制作了1∶3獨柱墩橋梁模型，并對該橋梁模型展開了振動試驗。通過輸入E1 Centro型地震波，模擬研究了6個不同加速度工況下獨柱墩橋梁的動力響應(yīng)與變形特征，并得出以下結(jié)論：

1）受橋面結(jié)構(gòu)及錨固情況影響，獨柱墩橋梁的加速度大于振動臺面加速度，且加速度最大值隨時間不斷衰減；隨著輸入加速度的增大，橋梁各測點的最大位移逐漸升高，且最大位移符合柱墩A＞橋面＞柱墩B的變化規(guī)律。

2）獨柱墩橋梁在固定支座柱墩A處產(chǎn)生的變形最大，且其截面應(yīng)變隨高度遞增呈現(xiàn)出先增大、后減小的變化趨勢，在截面高度為20 cm處產(chǎn)生的應(yīng)變最大。此外，各截面應(yīng)變均隨加速度增大而不斷增大。