山區橋梁橋墩抗震性能分析

陽斌

（中國公路工程咨詢集團有限公司路橋設計研究院分公司，武漢430024）

1 背景分析

目前，對高墩橋梁進行地震反應分析主要以規范公式法和靜力推倒分析法為主。對于橋墩抗震性能的評價，JTG/T B02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》【1】并沒有給出量化的計算方法，只是提出了兩水準設防、兩階段設計的抗震設計理念。實際發生破壞性地震時，雖結構未倒塌，但因損傷過大，造成的經濟損失往往超出建設單位的承受能力。針對以上問題，本文嘗試引入量化指標對橋墩抗震性能進行評估，可作為社會經濟性評價參考。本文研究分析山區橋梁中普遍存在的柱式墩、薄壁墩，指出了其在高烈度地震下可能會出現非設計的預期結果，并從構造措施上給出了優化抗震建議。

2 典型山區高墩橋梁

本橋是貴州山區某高速上1 座非常典型的高墩橋梁，上構為40m 預制T 梁，單向2 車道，橋寬12.25m，全橋共3 聯：2×（3×40m）+4×40m；上部結構采用結構連續T 梁。本地區場地類型為Ⅱ類，地震參數為抗震設防烈度7 度，地震動峰值加速度0.15g。墩高分為空心薄壁墩（6.5m×3.0m，壁厚0.5m，墩身主筋HRB500 D32）和雙柱式墩，該類橋墩均為貴州山區非常常見的橋墩。全橋下構共9 個橋墩，1～5#和9#墩為圓柱墩，直徑2m；6～8#墩為6.5m×3.0m 空心薄壁墩；3#、6#為分聯墩；7～9#墩梁固結；1～9#墩高分別為：13.5m、27.2m、17.1m、11.9m、27.4m、56.2m、67.1m、59.8m、33.3m。

3 動力特性

動力特性是抗震性能評價的基礎，本橋考慮X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）各35 階的模態。

對結構進行模態分析，X、Y方向有效參與質量合計分別為92.85%、93.24%，縱橋向和橫橋向均獲得了90%以上的參與質量，可滿足規范要求。前5 階振型頻率分別為0.32Hz、0.39Hz、0.4Hz、0.43Hz、0.62Hz，周期分別為：3.11s、2.53s、2.48s、2.29s、1.60s，前5 階振型描述分別為：全橋縱向振動、全橋縱向振動、全橋橫向振動并有扭轉、全橋縱向振動、全橋橫向振動并有扭轉。

山區橋梁橋墩一般都比較高，縱向剛度較柔，可從全橋的動力特性分析得出縱向與橫向剛度的差異。通過以上分析可知，本橋橋墩普遍較高，橋墩較柔，因而自振頻率較低；1～2 階振型皆為縱向，說明本橋縱向剛度小于橫向剛度；橫向振型中出現扭轉，以第三聯最為明顯，是第三聯橋墩剛度差異過于明顯所致。

4 橋墩抗震性能評價

在基于性能抗震的設計理論中，現行規范并沒有在這方面有明確的量化指標要求，一般情況下可用來衡量性能的參數有：變形、承載力、延性、曲率、阻尼比、有效剛度、能量等。本文采用墩頂延位移性系數和墩頂位移角2 個指標來評定橋墩抗震性能。

墩頂延性位移系數定義為在地震荷載作用下，墩頂的最大位移與橋墩墩身首次進入屈服狀態時墩頂位移的比值，即u=um/uy。對于常規的橋墩構件，懸臂墩或框架墩的縱橋向計算在墩底截面剛剛屈服時，可認為曲率沿墩高線性分析，可得到墩頂屈服位移uy=（1/3）φyH2，其中，H為墩高；φy為橋墩的屈服曲率，可由橋墩的彎矩-曲率曲線得到，對于框架墩橫橋向屈服位移需要做pushover 分析得出。本文位移角可定義為墩頂位移與墩高的比值。綜合參考文獻【2，3】，對位移延性系數定義為完好（0，1]、基本完好（1，1.2]、輕微破壞（1.2，3]、中等破壞（3，4]、嚴重破壞（4，6] 5 類性能水準，位移角限值定義為完好1/500、正常使用1/400、修復后使用1/175、生命安全1/100、防倒塌1/50 5 類性能水準。

本橋墩高超30m 為非規則橋梁，地震分析方法運用MIDAS CIVIL 軟件采用時程分析。由貴州省地震局工程地震研究中心、武漢地震工程研究院有限公司提供的3 組時程波計算（按100a 超越概率10%水平向峰值加速度），計算結果取3 組的最大值。

時程分析墩頂位移見表1。

從時程分析結果來看，不同的抗震性能評價指標反映的結論并不完全一致。本橋的位移延性系數指標均可滿足完好指標，但位移角卻存在不同的評價，總體上都能滿足修復后使用要求。由于現行抗震規范并沒有在橋墩抗震性能評價指標上有具體的規定，所以需要綜合多種指標來評價分析，并確保每項指標都能滿足最低目標性能要求。

從橋墩類型抗震性能角度分析，空心薄壁墩比圓柱墩的延性更好，其變形為彎曲破壞，能消耗大量的地震能量，圓柱墩如果墩身過矮則有可能發生剪切破壞，這不是期望的破壞結果。圓柱墩抗震性能不僅與墩高有關，還與上部構件連接的邊界條件有關，并且同一聯不同剛度橋墩還會相互影響，但是，總趨勢是墩身較高的圓墩抗震性能比較低的要好。

表1 縱、橫向地震波效應

5 框架墩橫向抗震分析

雙柱或者多柱墩是非常常見的橋墩形式，在貴州山區高墩中往往有墩高達30～40m 的情形，通常會設置2～3 道中系梁，中系梁的存在可減小圓柱墩橫橋向長細比，提高穩定性，但其會改變橋墩的側向剛度。

以本橋的9#墩為例，通過橋墩的橫向抗震分析發現，當墩頂位移達到14cm，橋墩中系梁附近會提前出現屈服，甚至會優先于墩頂底位置屈服，這顯然是對抗震性能不利的。對比其他有中系梁的圓柱墩亦有類似情況，即中系梁附近可能會先于橋墩頂底位置發生屈服。

貴州高速公路圓柱墩習慣上采用密系梁，即橋墩系梁間距控制的很小，通常在12m 內。這對于抗震而言并無益處，中系梁的存在會造成墩身剛度沿高度上發生突變，柱彎矩、剪力在此位置都會有突變，使得墩身系梁位置在地震荷載下會產生更大的水平力，而墩身系梁上下位置一般不會加強，這導致系梁上下附近的墩身變成薄弱區，易形成新的塑性鉸區域。中系梁往往尺寸很大但長度又較短，造成中系梁剛度與柱剛度相差很大，而剛度差異越大，墩柱在中系梁附近越易形成薄弱層（形成塑性鉸或剪壞）。此外，對于多柱墩，中系梁的存在還會造成墩柱軸力上發生劇烈的變化。

綜上分析，對于橋墩中系梁宜盡量少設，最好不設，對已設中系梁橋墩，墩身在中系梁附近宜進行箍筋加強，系梁兩端也宜進行箍筋加強，避免剪切先于彎曲破壞。

6 高墩的墩頂允許位移

山區高墩常見的有實心矩形墩、空心矩形墩，這類橋墩剛度通常很大，按公路橋梁抗震細則規定，塑性鉸區域的最大容許轉角與極限破壞狀態的曲率、等效屈服曲率、等效塑性鉸長度有關。本文以7#高墩為例，7#墩高67.1m，設計為空心薄壁墩（6.5m×3.5m）。

利用MIDAS CIVIL 做彎矩-曲率分析，可得出該墩在橫向位移下，等效屈服曲率為0.000 57m-1，極限曲率為0.003 5m-1。利用MIDAS CIVIL 做墩頂容許位移分析時，認定當橋墩墩身任意位置曲率達到極限曲率的一半時即到達設計容許曲率，此時墩頂位移即為容許位移。以此計算出7#墩頂橫向容許位移約為1.9m，縱向容許位移會更大，原因是橋墩縱向剛度比橫向小，縱向的等效屈服曲率和極限曲率都比橫向要大。由此可見，由于薄壁墩墩身很高，導致計算出墩頂容許位移非常大，這意味著薄壁墩墩身并不容易發生破壞，而橋墩連接上構的支座（分聯位置會設置，其他位置一般固結）卻無法適應如此大的位移。在橋墩抗震概念設計理念中，按能力保護原則，一般會要求橋墩的蓋梁、擋塊、樁基、支座等不應先于橋墩墩身破壞，顯然對于擋塊、蓋梁等可以通過尺寸增大、配筋加強來提高，但對于本橋的支座，要適應如此大的位移，支座設計本身將會十分困難，這亦說明支座是高墩橋梁抗震的一個非常脆弱的環節，應盡量避免設置支座。

7 結語

本文通過貴州山區一典型實際橋梁的橋墩抗震分析，從不同類型橋墩抗震性能指標評價、圓柱墩系梁的設置、墩頂橫向位移3 個方面深入研究討論，分析的結論具有較大實用價值，可供工程人員參考。