雙柱式矮墩系梁對橋梁抗震性能的影響

柏小勇 楊加發 朱家榮

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550023)

西南地區多位于高烈度區，具有山高谷深、地形地貌復雜等特點，為了降低施工難度和節約工程造價，設計中采用大量的裝配式T梁。為了適應劇烈變化的地形條件，裝配式T梁橋的下部結構通常采用雙柱式橋墩。對于雙柱式高墩橋梁，為提高結構的穩定性，一般會在2根墩柱間設計墩系梁。

然而，目前關于墩系梁的設計研究相對較少。燕斌等[1]對1座VIII度區墩高30 m的3×40 m T梁橋進行抗震分析，建議墩系梁設置在墩柱中心偏下的位置，且建議采用較小抗彎剛度的系梁；陳陽清[2]針對1聯3×35 m預應力混凝土箱梁進行研究，建議墩系梁剛度和橋墩剛度比在0.4～0.6范圍內較為合理；蘭峰等[3]針對某聯5×30 m連續T梁進行研究，建議在墩高0.3～0.8之間設置1道相對于墩身剛度0.3～0.6的橫系梁，因此，針對西南地震區雙柱式矮墩裝配式連續T梁橋的系梁設計值得進一步探討研究。

本文選取西部山區雙柱式矮墩裝配式T梁橋，變化橋墩系梁位置及其結構尺寸，進行非線性時程分析，以提高橋梁的抗震性能為目標，對墩系梁合理設計進行探討研究，以期為西南地震區裝配式T梁橋抗震設計提供參考。

1 工程背景

西部地區由于地形起伏劇烈，橋梁高低墩現象非常普遍，但從研究規律的角度出發，本次研究對象為等墩高的雙柱式矮墩裝配式T梁橋。

本文選取的裝配式T梁橋跨徑布置為3×30 m +3×30 m+3×30 m，兩側一聯橋梁作為邊界聯。裝配式T梁橋由5片T梁組成，橋面總寬12.25 m，梁高2 m。雙柱式墩高15 m、墩徑1.8 m，樁徑2.0 m，設置1道墩系梁和1道地系梁，系梁截面尺寸高×寬為1.5 m×1.2 m，主梁的跨中、支點標準斷面和下部構造見圖1、圖2。每聯的過渡墩采用四氟滑板支座，第一個連續墩采用1個橫橋向單向固定盆式支座和4個雙向活動盆式支座，第二個連續墩采用1個固定盆式支座和4個橫橋向單向活動盆式支座。

圖1 跨中、支點斷面

圖2 橋墩構造圖

2 地震動參數

依據JTG/T B02-01-2008 《公路橋梁抗震設計細則》[4]，確定本橋梁的設防類別為B類，設防烈度為7度，水平向設計基本加速度峰值為0.15g，地處II類場地，場地系數為1.0，阻尼調整系數1.0，特征周期為0.35 s，參照文獻[4]選取參數擬合E1設防水準的規范反應譜，擬合并合理選取7條非線性時程波，其中2條時程波見圖3。

圖3 非線性時程波

3 模型建立

采用有限元軟件SAP2000進行建模分析[5-7]。主梁、橋墩、蓋梁、系梁、樁均采用空間彈性梁單元模擬，樁基礎在3倍樁徑處嵌固模擬樁-土相互作用，支座均按規范采用三維彈簧單元進行模擬。三維空間有限元分析模型，見圖4。

圖4 三維空間有限元模型

4 動力特性對比

由于墩系梁僅對結構的橫橋向抗震性能有影響，因此本文僅進行橫橋向結構動力特性的討論。其中，墩系梁高度H指墩系梁中心與墩底的距離，本次取H為0 m(工況1，不設墩系梁)、3 m(工況2)、6 m(工況3)、7.5 m(工況4)、9 m(工況5)、12 m(工況6)共6個工況進行對比。基于建立的三維空間動力模型，進行結構動力特性分析。各工況下結構的一階橫橋向對稱振動和一階橫橋向反對稱振動周期見表1。

表1 橋梁橫橋向動力特性分析結果 s

由表1可見，設置墩系梁后，墩和墩系梁在橫橋向形成一個框架，橫橋向結構的剛度增大，結構橫橋向典型振型周期均有減小；隨著墩系梁設置高度的增加，結構橫橋向典型振型周期表現出先減小后增大的規律；且當系梁設置在橋墩中心處時，結構橫橋向典型振型周期最小，表明此時橫橋向結構剛度最大，框架效應最為明顯。

5 墩系梁位置設置研究

基于建立的空間動力模型和地震動輸入，結構的響應值取7條時程波計算結果的平均值，經過E1非線性時程分析知：結構整體保持彈性狀態，且連續墩的響應較大，本次以連續墩作為研究對象，以說明結構的響應規律。

圖5、圖6、圖7展示了不同工況下墩底和墩頂的內力響應。

圖5 墩底、墩頂軸力

圖6 墩底、墩頂剪力

圖7 墩底、墩頂彎矩

由圖5，圖6，圖7可見，不設置墩系梁時，墩底和墩頂的軸力和剪力相對較小，彎矩值最大；隨著墩系梁設置高度的增大，墩底軸力、墩底和墩頂剪力呈現出先增大后減小的規律，墩頂的軸力和墩底彎矩一直減小，墩頂彎矩表現為先減小后增大的規律；當墩系梁設置在橋墩中心位置處時，墩底和墩頂的彎矩值大小相近。

圖8展示了不同工況下連續墩墩頂位移的響應。

圖8 墩頂位移

由圖8可見，設置墩系梁后，橋墩橫橋向位移有所減小；隨著墩系梁設置高度的增大，橋墩橫橋向位移表現出先減小后增大的規律，且當墩系梁設置在橋墩中心處時，橋墩橫橋向位移最小。這種規律的形成原因與結構自振周期的變化機理相同。

對于系梁的內力響應，見圖9、圖10。

圖9 系梁剪力

圖10 系梁彎矩

由圖9、圖10可見，隨著墩系梁設置高度的增大，系梁的剪力和彎矩呈現出先增大后減小的趨勢，且當墩系梁處于橋墩中心位置處時，系梁的剪力和彎矩值最大。出現這種規律的原因是：墩系梁將蓋梁-墩柱-地系梁的框架結構一分為二，隨著墩系梁的向上移動，系梁和下框架墩柱的剛度比逐漸增大，系梁和上框架墩柱的剛度比逐漸減小，當墩系梁處于橋墩中心位置處時，系梁和上下2個框架墩柱的剛度比達到最大。

經過上述分析知：當墩系梁處于橋墩中心位置處時，系梁的地震彎矩和剪力最大，墩頂的位移最小，墩頂和墩底的地震彎矩值大小相當，比不設置墩系梁時墩頂和墩底的地震彎矩值減小很多，且此時對墩柱配筋有利。總體而言，墩系梁設置在墩柱中部時，對于橋梁整體抗震有利。

6 墩系梁結構尺寸選擇

由于墩系梁剛度影響橋梁結構的內力分配，基于上節分析結論，將墩系梁均設置于橋墩中部位置處，研究不同墩系梁的結構尺寸對橋梁抗震性能的影響。基于施工的方便性，墩系梁均為實心矩形截面，截面尺寸高×寬分別取為：1.2 m×1.2 m(工況1) 、1.5 m×1.0 m(工況2)、1.5 m×1.2 m(工況3)、1.5 m×1.5 m(工況4)，計算結果見圖11、圖12、圖13。

圖11 墩底、墩頂彎矩

圖12 系梁彎矩

圖13 墩頂位移

隨著工況1～4系梁截面的抗彎剛度逐漸增大，由圖11墩底、墩頂彎矩圖知，墩頂彎矩變化較小，墩底彎矩逐漸增大。由圖12系梁根部彎矩圖知，系梁根部彎矩逐漸增大。由圖13墩頂位移圖知，墩頂位移逐漸減小。出現上述規律的原因主要是：隨著系梁剛度的增大，橋梁整體剛度也增大，相對于墩頂位移的略微減小，系梁彎矩和墩底彎矩增加較多。

因此，實際工程中，在滿足正常使用功能時，系梁應該選取抗彎剛度較小的結構形式。

7 結論

1) 設置墩系梁后，橋梁橫橋向剛度增大，橫橋向自振周期和橫橋向位移均有所減小；隨著墩系梁設置高度的增加，橫橋向自振周期和橫橋向位移均表現出先減小后增大的趨勢；當墩系梁設置在墩柱中部時，橫橋向自振周期和橫橋向位移均最小。

2) 當墩系梁設置在墩柱中部時，系梁的地震剪力和地震彎矩最大，且墩頂和墩底的彎矩大小幾乎相等，橋梁整體抗震性能最優。

3) 實際工程中，在橋梁結構滿足正常使用功能的前提下，建議選取抗彎剛度較小的系梁。