常規(guī)雙柱式橋墩橫系梁對(duì)橋梁抗震性能的影響

陳陽清

(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院，廣東廣州 510080)

0 前言

近些年來，世界各地強(qiáng)震不斷，汶川等地震給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來危害，地震使交通系統(tǒng)嚴(yán)重毀壞，地震造成的交通中斷直接影響著救災(zāi)工作的進(jìn)行，擴(kuò)大了次生災(zāi)害損失，使生命財(cái)產(chǎn)遭受巨大損失。近30多年來，地震災(zāi)害的沉痛教訓(xùn)不斷地警示著世人，使人們對(duì)橋梁的抗震研究工作逐漸受到重視，橋梁抗震理論及技術(shù)水平日漸提高。橋梁震害主要多數(shù)表現(xiàn)為橋墩傾斜、沉降、移位、墩身剪斷、開裂，受壓緣的混凝土崩壞，鋼筋屈服、裸露，橋墩與基礎(chǔ)連接處折斷、抗裂等等;而加設(shè)橫系梁橋墩大部分是橫系梁在與墩柱形成塑性鉸，通過材料的塑性變形消耗地震能量的輸入，保護(hù)橋墩墩身。橫系梁的剛度、布置方式等都會(huì)影響到橋墩的抗震性能，因而研究橫系梁提高抗震性能具有重要意義。

1 工程概況

本文選取3×35 m一聯(lián)先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力砼小箱梁作為研究對(duì)象，圖1為橋梁的標(biāo)準(zhǔn)斷面。上部結(jié)構(gòu)梁高1.8 m，寬16.5 m，小箱梁間距3.3 m，共5片，每片小箱梁設(shè)置一個(gè)板式橡膠支座，橋墩高度H為20 m，墩徑1.6 m，樁徑1.8 m，樁長(zhǎng)L為40 m，設(shè)置1道樁基系梁，系梁高1.5 m，寬1.2 m。

橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路I級(jí)，場(chǎng)地類別為IV類。根據(jù)該項(xiàng)目地震評(píng)估報(bào)告，反映譜參數(shù)見圖2。

圖1 上部結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:cm)

圖2 反映譜參數(shù)圖

2 有限元模型建立

本橋采用midas有限元進(jìn)行模型分析，縱橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。各構(gòu)件與模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:主梁、橋墩、蓋梁和橋墩系梁均采用梁?jiǎn)卧M，板式橡膠支座采用彈性連接設(shè)置其剛度模擬，土體模擬按《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》m法［1］進(jìn)行剛度轉(zhuǎn)換，墩底按豎向支撐處理。見圖3。

圖3 有限元模型圖

3 地震響應(yīng)分析

3.1 橫系梁設(shè)置

本文分別考慮不設(shè)置樁基系梁(模型1)、僅設(shè)置樁基系梁(模型2)、設(shè)置樁基系梁和一道柱間系梁，柱間系梁位置在離樁頂10 m處(模型3)、設(shè)置樁基系梁和二道柱間系梁，柱間系梁位置分別離樁頂6.6 m、13.3 m處(模型4)4種工況。見圖4。

表1分別列出了不同模型地震作用下墩柱、樁基、系梁彎矩、剪力計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?橫系梁設(shè)置不影響橋梁結(jié)構(gòu)的縱向動(dòng)力特性，對(duì)橋梁的橫向性能影響較大。與無橫系梁相比，模型2墩柱柱底彎矩增大31%，樁基彎矩、剪力減小59%;可見樁基橫系梁設(shè)置，提高雙柱式橋墩整體受力能力，主要是橫系梁能有效減小樁頂彎矩及剪力［2，3］，起到樁基保護(hù)作用。模型4與模型2、模型3相比，墩柱柱底彎矩減小74%、41%，剪力僅增大20%、5%，樁基彎矩、剪力減少25%、10%，可見柱間系梁能有效減小墩柱彎矩，特別設(shè)置兩道柱間系梁。從目前已有橫系梁震害來看，橫系梁由于抗剪能力不足發(fā)生彎曲或剪切破壞，減少了作用在墩柱上的地震力，同時(shí)橫系梁在破壞中進(jìn)入塑性，能夠消耗一部分地震能量，形成一個(gè)耗能機(jī)制，對(duì)墩柱和橋梁抗震性能是有利的，特別是樁基系梁設(shè)置。因此加設(shè)橫系梁能有效調(diào)整墩身受力，柱系梁應(yīng)根據(jù)墩高而相應(yīng)增加，消耗地震動(dòng)能量輸入，減少墩柱受力，提高其整體抗震性能。

圖4 4種工況示意(單位:cm，待續(xù))

續(xù)圖4 4種工況示意(單位:cm)

3.2 橫系梁剛度設(shè)置

雙柱橋墩、系梁及橋墩蓋梁形成門式框架體系是多次超靜定結(jié)構(gòu)，橫系梁剛度與墩柱剛度大小直接影響結(jié)構(gòu)能力分配。橫系梁剛度過小可能導(dǎo)致分配內(nèi)力小，墩柱破壞而橫系梁卻沒有損害，因而沒起到消耗地震動(dòng)能量;橫系梁剛度過大導(dǎo)致分配內(nèi)力大，橫系梁與墩柱節(jié)點(diǎn)破壞，可能出現(xiàn)橫系梁掉落沒有起到消耗地震動(dòng)能量。因此，選擇適中橫系梁剛度，使之在地震作用下處于彈塑性范圍內(nèi)，有效調(diào)整墩柱受力;在設(shè)計(jì)地震及罕遇地震下能夠墩身進(jìn)入塑性狀態(tài)，通過橫系梁的損傷來消耗一部分地震動(dòng)能量，減輕墩柱承受的地震反應(yīng)，保護(hù)橋梁結(jié)構(gòu)安全［4，5］。

本節(jié)采用模型4，將橫系梁采用不同截面進(jìn)行分析比較，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 橫系梁設(shè)置分析結(jié)果

表2 橫系梁不同截面尺寸下內(nèi)力比較

計(jì)算結(jié)果表明，橫隔梁剛度增大，相應(yīng)墩柱彎矩減少，剪力增大;當(dāng)橫系梁尺寸1.2 m×1.2 m時(shí)，橫系梁與墩柱剪力、彎矩相當(dāng)，對(duì)結(jié)構(gòu)體系比較有利。可以得出，橫系梁剛度與墩身剛度比在0.4～0.6范圍時(shí)，橋梁抗震性能比較好。

4 結(jié)論

1)橫系梁不僅能提高橋墩穩(wěn)定性，還能夠調(diào)整橋墩彎矩，增加橋梁整體抗震性能。

2)從抗震性能上分析，柱系梁設(shè)置個(gè)數(shù)能有效減少墩柱彎矩，調(diào)整墩柱受力，有效提高橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，因此，柱系梁應(yīng)根據(jù)墩身高度相應(yīng)增加。

3)橫系梁剛度對(duì)雙柱式橋墩內(nèi)力分配影響較大。通過分析表明，當(dāng)橫系梁剛度與墩身剛度在0.4～0.6范圍內(nèi)比較合理，墩身彎矩與橫系梁彎矩相當(dāng)，能起到地震動(dòng)耗能作用。

［1］JTG D63－2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］康俊濤，王國鼎.無橋臺(tái)斜腿剛架橋橫系梁的設(shè)置分析［J］.公路，2006(4):86－89.

［3］李健剛，杜玉東，魏燕玲，等.橫系梁對(duì)雙肢薄壁高墩剛構(gòu)橋穩(wěn)定性的影響分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2008(11):31－34.

［4］貢金鑫，張 勤，王雪婷.從汶川地震中橋梁震害看現(xiàn)行國內(nèi)橋梁抗震設(shè)計(jì)方法(二):抗震設(shè)計(jì)與構(gòu)造［J］.公路交通科技，2010，22(10):35 －46.

［5］陳 淮，王 艷，葛素娟.白河特大橋主橋抗震性能分析［J］.公路交通科技，2008，25(3):103－108.