高烈度地震山區常規簡支梁橋的橋墩型式選擇

對四川山區中小跨徑簡支T梁橋常用的2種跨徑、3種不同類型墩柱的抗震性能分別進行了對比分析，并結合工程造價因素綜合選取最合適的墩型，使結構能更好地滿足耐久、經濟、實用的要求。

地震； 橋梁抗震； 墩型選擇

U443.22 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡介］朱麗瑤（1994—），女，碩士，工程師，主要從事橋梁設計工作。

近年來，四川地震多發，對道路、橋梁的結構安全產生了巨大的威脅。川西山區的地震基本烈度普遍大于VII度，橋梁抗震設計的重要性更為突出。在山區公路橋梁中，中小跨徑簡支梁橋量大面廣，是一條道路上廣泛分布的震害風險點，且對整條道路的經濟性指標影響較大。因此，在山區公路設計中，綜合考慮橋梁結構抗震性能和經濟性能進行中小跨徑橋梁結構選型，具有較大的實際意義。

山區公路中小跨徑簡支梁橋的上部結構型式以預應力混凝土簡支T梁（25 m、30 m或40 m跨徑）和預應力混凝土簡支小箱梁（25 m或30 m跨徑）為主，下部結構型式主要以圓柱式雙柱墩（以下簡稱“雙柱圓墩”）、雙柱式矩形空心薄壁墩（以下簡稱“雙柱方墩”）和獨柱式矩形空心薄壁墩（以下簡稱“獨柱方墩”）為主。山區公路中小跨徑簡支梁橋設計，上部結構選型主要考慮橋梁高度、平曲線半徑、運輸條件等因素，而下部結構選型則主要考慮地形條件、經濟性和抗震性能。確定上部結構跨徑和型式之后，墩型選擇是山區中小跨徑橋梁抗震設計中十分重要的一步，合理的墩型使橋梁結構既滿足抗震性能的需求，又滿足美觀、經濟、實用的要求。

本文分別以山區公路中小跨徑簡支梁橋中最常見的30 m跨徑和40 m跨徑預應力混凝土簡支T梁為例，通過有限元模型抗震分析，對采用雙柱圓墩、雙柱方墩和獨柱方墩的橋梁的抗震性能作對比分析，并結合工程實際綜合選取最合適的墩型。

1 分析方法與模型

1.1 主要結構尺寸

本文采用有限元分析軟件Midas Civil進行橋梁結構抗震受力分析，建立了3組空間梁單元有限元模型。考慮到分析結論的普適性，采用相同的墩高、地質條件和地震荷載，只改變橋墩結構形式，進行對比分析。

第一組模型為4×30 m跨徑簡支橋面連續T梁橋，四跨一聯，橋面寬度12.6 m。5個橋墩高度均為40 m。通過改變橋梁下部結構型式，分別建立了雙柱圓墩計算模型、雙柱方墩計算模型和獨柱方墩計算模型，進行對比分析。第二組模型在第一組模型的基礎上，墩高調整為60 m，橋梁分聯、橋面寬度、下部結構基本型式及截面尺寸均與第一組模型一致。第三組模型在第二組模型的基礎上，調整上部結構為4×40 m跨徑簡支橋面連續T梁，并對應調整下部結構尺寸，橋梁分聯、橋面寬度及下部結構基本型式均與第一組模型一致。

圖1～圖3分別為3種墩型的立面圖，墩柱主要截面尺寸和配筋信息詳見表1、表2。墩柱、蓋梁均采用C40混凝土。

本文僅對墩柱進行分析，不考慮樁土共同作用，直接在墩底設置固結邊界條件。2～4號墩墩頂設置板式橡膠支座，采用彈性連接模擬（每片T梁每端設置1塊，30 m跨徑T梁采用GJZ350×450×84，40 m跨徑T梁采用GJZ400×450×99），1號墩和5號墩墩頂設置四氟滑板橡膠支座，采用彈性連接模擬，釋放剪切剛度。

圖4～圖6分別為3種墩型的有限元分析模型。

第二組和第三組有限元計算模型與第一組計算模型類似，限于篇幅，不再單獨給出。

地震荷載采用JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》［1］中的設計反應譜，地震動峰值加速度0.2g，場地特征周期0.4 s，場地類別為II類，橋梁抗震設防類別為B類，橋梁類型為高速公路上的大橋。采用E2地震進行分析，設計加速度反應譜如圖7所示。

2 第一組模型分析結果

2.1 橋梁動力特性

采用3種墩型的橋梁自振周期計算結果如表3所示。

從結果中可以看到，雙柱圓墩模型的自振周期最長，結構剛度最小，雙柱方墩模型和獨柱方墩模型的自振周期相差不大，結構剛度大致相當。

2.2 橋梁抗震性能

在E2地震+永久作用組合下，采用3種墩型的橋梁的橋墩抗彎計算結果如表4和表5所示。表中墩底彎矩和墩底軸力為E2地震+永久作用組合下墩底截面同時發生的最不利彎矩和軸力組合值。彎矩抗力是指在上述軸力組合值作用下，按截面材料（C40鋼筋混凝土）、尺寸和實配鋼筋，采用軸力-彎矩-曲率分析，并根據JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設計細則》中的原則計算得到截面等效屈服彎矩。

從上述計算計算結果可知，計算模型所采用的3種墩柱均能基本滿足抗震需求，說明擬定墩柱尺寸和配筋基本合適。在墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下，橋墩順橋向的抗震能力需求比差異不大，排序為：雙柱圓墩＞雙柱方墩≈獨柱方墩；橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序為：獨柱方墩＞雙柱圓墩＞雙柱方墩；3種墩型的混凝土工程量分別為：雙柱圓墩251 m3，雙柱方墩250 m3，獨柱方墩248 m3，3種墩型相差不大，而主筋配筋率基本一致，因此3種墩柱工程數量差別不大，但獨柱方墩可在本次計算采用的配筋方式的基礎上適當減少橫橋向主筋，在材料用量上較其余2種墩型有一定優勢。但從施工便捷性方面看，雙柱圓墩優于其余2種方墩墩型，對山區橫橋向起伏較大的地形條件的適應性也更佳。

綜上所述，對于墩高40 m左右的山區30 m跨徑簡支T梁橋，可根據實際施工條件擇優選擇獨柱方墩或雙柱圓墩方案，使之更符合經濟、美觀、實用的標準。

3 第二組及第三組模型分析結果

3.1 橋梁動力特性

第二組模型為4×30 m簡支T梁，墩高60 m。第三組模型為4×40 m簡支T梁，墩高60 m。2組模型的橋梁自振周期計算結果如表6、表7所示。

通過對比第一組模型和第二組模型計算結果可知，對于4×30 m簡支T梁橋，墩高加大，結構變柔，2個方向的自振周期均相應延長，且雙柱圓墩方案的自振周期對墩高最敏感。

由表7結果可知，對于4×40 m簡支T梁橋，采用雙柱圓墩的橋梁自振周期依然是采用3種墩型的橋梁中最長的，結構整體剛度最小，而采用雙柱方墩和獨柱方墩的橋梁的自振周期相差不大，結構剛度大致相當。

3.2 橋梁抗震性能

在E2地震+永久作用組合下，2組對比模型采用3種墩型的橋梁的橋墩抗彎計算結果如表8、表9、表10、表11所示。

從第二組模型計算結果中可以看到，對于墩高60 m的30 m跨徑簡支T梁，墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下，橋墩順橋向的抗震能力需求比排序為：雙柱圓墩＞雙柱方墩≈獨柱方墩；橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序為：獨柱方墩＞雙柱圓墩＞雙柱方墩。綜合比較可知，獨柱方墩和雙柱圓墩抗震性能各有優勢，總體優于雙柱方墩。

從第三組模型計算結果中可以看到，對于墩高60 m的40 m跨徑簡支T梁，墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下，橋墩順橋向的抗震能力需求比排序為：雙柱圓墩＞獨柱方墩＞雙柱方墩；橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序為：獨柱方墩＞雙柱圓墩＞雙柱方墩。綜合比較可知，獨柱方墩抗震性能較優。

從第三組模型計算結果中還可以看到，在計算模型采用的截面尺寸和配筋方式下，3種墩型均存在2個方向上的抗震能力需求比不平衡的情況，需要優化截面尺寸或鋼筋配置。對于矩形截面橋墩來說，通過局部調整截面尺寸或鋼筋配置來優化橫橋向和順橋向2個方向的抗震承載能力是非常方便的，而雙柱圓墩的縱向鋼筋是沿周長均勻分布的，不方便通過優化結構設計來單獨調整某個方向上的抗震承載力，若需要提高某個方向的抗震承載力，則需要同步增加另一方向上的截面尺寸或配筋，材料用量增加較多，工程造價也隨之增加較大。

從施工便捷性方面分析，如前所述，雙柱圓墩優于2種方墩墩型，而獨柱方墩由于截面尺寸較大、立柱數量更少，又要明顯優于雙柱方墩，且在墩高較大時優勢更明顯。

綜上所述，對于墩高60 m左右的山區40 m跨徑簡支T梁橋，選擇獨柱方墩方案，更符合經濟、美觀、實用的標準。

4 結論

通過有限元對比分析，在綜合考慮抗震安全性、材料用量以及施工便捷性等因素后，對于墩高40～60 m左右的山區30 m跨徑簡支T梁橋，可根據實際情況擇優選擇獨柱方墩或雙柱圓墩方案；對于墩高60 m左右的山區40 m跨徑簡支T梁橋，宜選擇獨柱方墩方案。

參考文獻

［1］ 中華人民共和國交通運輸部，公路橋梁抗震設計細則： JTG/TB02-01-2008［S］.北京：人民交通出版社，2008.