雙圓柱墩橋梁抗震設計方法研究

摘要 橋梁工程是我國公路基礎設施的重要構成，其結構安全決定了公路交通運行的穩定性。橋梁多建設于復雜地震帶中，地震災害對橋梁結構造成了極大威脅。開展橋梁結構地震動作用下的力學特性分析對于橋梁設計及后續養護維修具有重要指導意義。文章依托貴州省某二跨雙圓柱墩曲線箱梁高架橋進行Midas Civil 有限元軟件的抗震分析，并且對不同橋墩高度下的地震動力學響應進行評價。研究結果表明，結構剛度隨橋墩高度增大而不斷增大；地震動下橋墩結構位移隨高度增大而增大，內力隨高度增大而減小；抗震設計中需要針對不利地震激勵方向盡量選取高度較低的橋墩，加強橋墩內部配筋設計。

關鍵詞 地震動；有限元；抗震設計；橋墩高度

中圖分類號 U442.55 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0071-03

0 引言

橋梁工程具備銜接公路交通、跨越復雜地形的功能，考慮到橋梁工程建設造價相對較高且結構面臨的安全風險因素較多，如何科學合理地開展橋梁抗震設計已經引發人們重點關注。橋墩作為橋梁重要支撐結構，城市高架橋建設多采取雙圓柱墩設計，其在地震作用下的力學表現較為復雜，因此，橋梁雙圓柱墩結構地震作用下的力學響應評價對于城市交通綜合系統穩定運行具有重要意義。橋梁抗震設計需要充分分析結構形式及實際環境特點，優化設計方案，以確保結構使用耐久性。

1 橋梁震害類別

1.1 橋墩震害

橋墩作為橋梁主要結構，其地震作用下產生的破壞主要有彎曲破壞、剪切破壞和剪彎破壞。橋墩剪切破壞主要是地震力導致橋墩內部剪應力超過其抗拉強度而導致的，如圖1所示。彎曲破壞則主要是橋墩在地震力作用下產生較大的彎曲變形，引發橋墩混凝土壓碎、內部鋼筋斷裂及墩身開裂。橋墩彎曲破壞會造成其承載強度大幅喪失，危害程度極大。橋墩彎剪破壞則是橋墩塑性鉸導致局部強度喪失而引發的破壞類型[1]。

1.2 主梁、連接件震害

橋梁上部結構的破壞類型多由地震間接作用而導致的，多為上部結構移位關聯病害。橋梁上部結構形式不同則會導致其內部受力特點具備較大差異性，危害程度最大的震害則為落梁。依據脫落形式的不同，落梁破壞則可分為扭轉滑移、順橫橋向落梁幾種類型；橋梁支承件地震破壞則較為常見，如伸縮縫、支座等作為上部結構中較為薄弱的構造，在初始設計階段并沒有引起技術人員重點關注，導致其構造銜接存在缺陷、材料強度不足、施工質量不合格，在地震作用下，連接件受力特點出現變化，引發破損加劇情況。既有統計資料表明，地震導致的支座破壞極為常見，支座支承作用喪失即會引發整體結構內力重分布，最終導致主梁移位加劇[2]。

2 工程概況

貴州省某互通立交A匝道橋梁為二跨預應力混凝土曲線箱梁構造，橋梁設計全長90 m（40 m+50 m），路線設計圓心角145°，圓曲線半徑70 m，雙向二車道設計，設計車速60 km/h，橋面設計寬度9 m。上部結構主梁采取現澆鋼筋混凝土單箱雙室箱梁構造，混凝土C50；支座選取板式橡膠支座（型號GYZ800×150），第一、第二形狀系數分別為10.9、7.1，支座橫向剛度2×104 kN/m，豎向剛度1.2×107 kN/m；下部結構則采取雙圓柱墩，墩截面直徑1.5 m，墩帽和墩身采取混凝土C40；鉆孔灌注樁基礎進行地基加固，采取混凝土C35。橋梁支座平面布置如圖2所示，橋梁斷面布置如圖3所示。其中，1～3號橋墩高度分別為20 m、25 m、25 m，橋墩內部間隔10 m布置單道橫系梁。橋梁設計基準期100年，公路一級荷載設計，地震動峰值加速度0.10 g，7度抗震設防烈度[3]。現場對橋墩孔位勘察可知地層巖性如下：首層為雜填土層，厚度3～5 m，稍濕稍密，灰褐色；第二層為中風化泥巖層，厚度20～25 m，密度較大，強度偏高。考慮到該橋位建設于易發地震帶，設計單位擬對橋墩結構開展地震力學響應分析。

3 有限元抗震分析

3.1 模型構建

項目采取Midas Civil有限元軟件進行模型構建，橋梁上部結構均采取梁單元進行模擬，為優化計算過程，局部坐標需要對支座和橋墩單元進行調整。支座約束需要和主梁徑向保持一致，采取線性彈簧單元模擬板式橡膠支座；橋墩、承臺、墩帽等下部結構也采取梁單元模擬；彈性階段橋墩力學分析則可采取空間梁單元進行簡便計算，塑性力學分析階段則需要采取空間彈塑性梁單元分析橋墩反應；混凝土材料、鋼材分別采取Mander、Menegotto-Pinto模型進行分析。項目構建橋梁有限元模型具體如圖4所示[4]。

3.2 動力特性分析

橋梁結構模態分析是地震動分析的主要內容，有助于獲取橋梁結構質量參與系數、振型變化及自振頻率。通過計算模擬可知，項目選取振階均滿足技術要求，橋梁結構前10階周期、自振頻率、振型相關參數具體如表1所示。橋梁三向不同階數下的質量參與系數如圖5所示。結果表明，橋梁三向質量參與系數均最后穩定于90%以上；橋梁5階振型多表現為主梁縱橫向彎曲，結構豎向剛度要明顯小于順橫向剛度，橋梁地震動力學響應多表現在結構水平向變形；5階后振型則主要表現為豎彎變形，地震動豎向反應較為明顯，水平向反應較小。考慮到橋梁結構豎向剛度遠大于橫向剛度，實際抗震分析中仍舊主要分析結構水平地震動響應；低階結構水平向質量參與系數增長幅度較大，高階則豎向質量參與系數較大，橋梁結構失穩破壞多出現在橫彎振型模態中，抗震加固中需要重點優化橋梁橫向變形[5]。

3.3 橋墩高度影響

針對不同橋墩高度下橋梁動力特性的研究是優化橋梁抗震設計方案的重要內容，項目構建橋墩高度20 m、25 m、30 m的有限元模型，并且對模型10階振型模態、周期、質量參與系數進行原模型比對分析，具體如圖6和表2所示。研究結果表明，結構自振周期隨著橋墩高度的增大而不斷增大，墩高分別為20 m、25 m、30 m時，結構自振周期分別增加30%、28%、95%，橋墩高度增大會導致模態累積質量參與系數不斷減小，且階數變化導致的豎向振型影響明顯大于水平振型；不同墩高布置下，4階振型主要表現為豎彎，明顯區別于原模型的橫彎，隨著橋墩高度增大，差異性更為顯著[6]。

4 地震波對不同橋墩高度地震響應分析

該項目為Ⅰ級公路高架橋，自振周期2.11 s，依據既有地質資料及相關抗震設計規范可知該橋梁分區特征周期0.40 g，B類橋梁，Ⅱ類場地類型，E1、E2地震峰值加速度分別為0.10 g、0.42 g，7度設防烈度，按1類抗震設計方法選用。項目選取不同橋墩高度20 m、25 m、30 m相應橋梁模型，利用反應譜法進行不利地震力下的橋墩結構力學響應分析，對橋墩下部樁土作用不進行考慮，對底部邊界位移完全限制。經數值計算可知，2號墩考慮墩高變化下地震動不利激勵方向、橋墩最大變形及最大內力統計如表3所示。研究結果表明，結構地震響應在不同橋墩高度下具有較大差異性，橋墩最大位移隨著橋墩高度的增大而不斷增大，橋墩彎矩則隨著橋墩高度的增大而不斷減小。2號墩在墩高20 m、25 m、30 m時，水平向最大位移分別為0.15 mm、0.27 mm、0.45 mm，最大彎矩變化幅度平均達到了5%左右；扭矩變化幅度則不太均勻，墩高20～25 m扭矩變化明顯要大于25～30 m，在墩高20 m時具備最大內力。不利地震激勵方向隨橋墩高度變化的影響程度較小，對于抗震設計則可以忽略不同地震激勵方向的影響。為此，在確保結構安全的基礎上，抗震設計中需要盡量采取高度較小的橋墩，以避免結構較大位移的產生，同時也要加強橋墩結構內部配筋設計，提升結構自身強度[7]。

5 結語

隨著我國市政交通基礎設施的不斷發展，市政公路高架橋構建數量不斷增多。在地震易發帶的橋梁建設中，橋梁抗震分析作為設計階段的主要內容，是確保橋梁使用耐久性的重要措施。橋梁抗震設計需要依據實際建設環境及結構構造進行針對性分析。橋墩作為地震易損件，該文依托具體工程案例重點分析了橋墩地震動下的力學響應，獲取以下結果：地震動下橋墩結構位移隨高度增大而增大，內力隨高度增大而減小；地震動激勵方向對橋墩結構參數優化沒有較大影響；采取強度較大、高度較小的橋墩能夠提升結構穩定性。

參考文獻

[1]白玉磊， 梅世杰， 張玉峰， 等. 基于剛度的大應變FRP約束混凝土模型及其在橋梁抗震加固中的應用[J]. 中國公路學報， 2022（2）： 115-123.

[2]馬國輝. 預應力現澆橋梁加固結構抗震性能檢測方法研究[J]. 建筑技術， 2021（11）： 1358-1361.

[3]張丹， 李寧. 節段拼裝自復位鋼管混凝土單跨橋梁抗震性能振動臺試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2021（S02）： 382-390.

[4]耿佳碩. 采用UHPC現澆濕接縫連接的裝配式橋墩抗震性能研究[J]. 鄭州大學學報：工學版， 2021（2）： 13-18.

[5]王克海， 張秉哲， 郭威佐. 中小跨徑橋梁抗震的概念設計與構造措施[J]. 建筑科學與工程學報， 2022（2）： 30-35.

[6]王強， 張亞州. 縱向墩高差對橋梁抗震響應的影響研究[J]. 中外公路， 2022（6）： 152-156.

[7]陳旭， 李春祥. 考慮樁—土相互作用的高墩橋梁抗震性能[J]. 同濟大學學報：自然科學版， 2021（6）： 799-806.