橫系梁對雙柱式高墩橋梁抗震性能的影響分析

文／山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 魏偉

關(guān)鍵字:橫系梁，雙柱式高墩，橋梁工程，抗震性能

1 工程概況

某山區(qū)雙柱式高墩大跨橋梁位于地震活動頻繁地帶，主橋為長度3389m的簡支鋼桁梁橋，橋墩為鋼筋混凝土式薄壁空心墩，其1#～4#墩均為高墩，橋梁主跨兩側(cè)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的簡支梁。本高墩橋梁下部結(jié)構(gòu)主要為直徑2.0m的雙柱式圓形墩，橫系梁長*寬為1.5m*1.6m，1#~4#墩墩柱高度依次為19.0m、40.5m、41.2m和35.8m，1#墩橫系梁設置在墩柱1/2處，其余墩橫系梁分別設置在墩柱1/4、1/2和3/4處。本橋梁抗震性能分析主要采用人工地震波，地震加速度峰值為0.48g，且順橋向進行地震波輸入，歷時20s，輸入時間間隔為0.03s。

2 橫系梁的設置

2.1 動力計算模型

本橋梁下部結(jié)構(gòu)中雙柱和蓋梁共同構(gòu)成門式框架，該結(jié)構(gòu)在地震作用下其橫橋向所傳遞而來的水平力主要由蓋梁承載，并可能導致墩柱底端出現(xiàn)較大彎矩。通過在雙柱之間增設橫系梁能有效降低柱底可能出現(xiàn)的彎矩值。對彎矩值降低的程度和效果主要受橫系梁剛度的影響，如其剛度過小，則無法起到調(diào)整雙柱式高墩墩柱底端彎矩的作用；若剛度過大，則會增大橫系梁周圍墩身彎矩值，導致墩身承載力下降，還會因所使用橫系梁材料量的增加而增大施工成本。

本高墩橋梁橫系梁設置動力計算模型均依據(jù)梁單元建立，并將固結(jié)設置在墩底，1#和4#柱式墩與T梁的連接均采用彈性連接方式，2#和3#墩與T梁的連接則采用彈性中的剛性連接方式。按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，本橋梁柱式墩臺橫系梁截面高度為墩柱直徑的0.8~1.0倍，橫系梁截面寬度為墩柱直徑的0.6～0.8倍[1]，因其雙柱式圓形墩直徑為2.0m，故而橫系梁截面高度和寬度分別取1.6m和1.4m。

模型Ⅰ：對于墩柱高度不同的1#~4#墩均在設計位置增設1道橫系梁。根據(jù)本橋梁工程橫系梁設置規(guī)律和要求，為保證框架結(jié)構(gòu)受力的合理性，應將橫系梁布置在于墩柱底端相距0.6h的位置（h為墩柱高度）。

模型Ⅱ：考慮到本橋梁墩柱較高，應加設2道橫系梁，并將所加設的橫系梁分別布設在于墩柱底端相距0.3h和0.7h的位置，橫系梁截面仍按長*寬為1.5m*1.6m的尺寸設置。

2.2 動力特性的分析

本雙柱式高墩橋梁動力特性模態(tài)參數(shù)主要包括橋梁結(jié)構(gòu)振動周期、振型等，無橫系梁、橫系梁模型Ⅰ及模型Ⅱ下不同周期模態(tài)對比情況詳見圖1。

圖1 不同周期模態(tài)對比情況

通過對不同模型下動力模態(tài)參數(shù)的比較，可得出三種橋梁結(jié)構(gòu)模型下雙柱式高墩橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性，前10階動力模態(tài)參數(shù)取值詳見表1。由表中數(shù)據(jù)比較可知，橫系梁對橋梁結(jié)構(gòu)縱向動力特性并不產(chǎn)生影響，但是對橋梁結(jié)構(gòu)的橫向受力性能影響較大。模型Ⅰ和模型Ⅱ的一階振動周期比無橫系梁情況分別降低了16.5%和23.8%，主要原因在于橫系梁的設置使橫橋向剛度大大增加，雙柱式高墩橋墩結(jié)構(gòu)整體受力性能顯著增強。

表1 不同結(jié)構(gòu)模型下周期與振型的對比

考慮到橫系梁的設置只影響橫橋向動力特性，所以還應進行三種模型下橫橋向振型貢獻程度大小的比較分析，無橫系梁情況模型下，振型貢獻率變動幅度為0.000~0.8373，模型Ⅰ下，振型貢獻率變動幅度在0.0000~0.8278，模型Ⅱ下振型貢獻率變動幅度為0.000~0.8099，以上數(shù)據(jù)充分表明，隨著橫系梁設置數(shù)量的增加，一階振型貢獻率呈減小趨勢，且僅設置1道橫系梁的高墩橋梁橫橋向振動收斂速度較快，而設置2道橫系梁后高墩橋梁橫橋向高階振型數(shù)量較多，充分表明設置2道橫系梁能顯著改善雙柱式高墩橋梁結(jié)構(gòu)剛度。

3 橫系梁設置對抗震性能的影響

3.1 橫系梁道數(shù)的選擇

按照《公路橋梁抗震設計細則》的相關(guān)規(guī)定可得出50a超越概率10%且阻尼比5%的場地加速度反應譜，對無橫系梁、橫系梁模型Ⅰ及模型Ⅱ三種橋梁結(jié)構(gòu)的反應譜分析，并得出雙柱式高墩墩底及橫系梁梁端彎矩最值以及墩頂橫向位移值。根據(jù)反應譜分析結(jié)果，在雙柱式高墩橋梁框架結(jié)構(gòu)增設1道橫系梁對墩身彎矩的降低效果并不顯著，且橫系梁梁端彎矩仍然較大，而增設2道橫系梁能有效降低墩身彎矩，對結(jié)構(gòu)受力較為有利。

3.2 橫系梁位置及剛度的選擇

3.2.1 橫系梁位置的確定

根據(jù)上述分析可知，本次雙柱式高墩橋梁增設2道橫系梁后橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能提升效果顯著，但是為保證2道橫系梁維穩(wěn)作用的充分發(fā)揮，還應當通過時程分析以準確確定其設置位置。此處所采用的時程分析地震波為修正后的Taft波，并進行不同柱墩墩底最大彎矩值與橫系梁梁端最大彎矩值、墩頂最大位移值等的比較。橫系梁在地震作用下回逐漸進入塑性狀態(tài)，此時會有部分地震動能因消耗而削弱，在這一過程中橫系梁作為一個主要的耗能部件能促使高墩橋梁結(jié)構(gòu)延性和抗震性能的提升。

根據(jù)對反應譜的分析，通過在適當?shù)奈恢眉釉O2道橫系梁能有效改善高墩受力狀態(tài)，且橫系梁設置位置對于其作用的發(fā)揮也至關(guān)重要，本文也主要針對不同的橫系梁設置位置進行反應譜分析。根據(jù)目前所現(xiàn)有的雙柱式高墩橋梁橫系梁震害經(jīng)驗，在設計地震波的影響下，因橫系梁抗彎抗剪能力有限而引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)完全破壞，并大大延長橋梁結(jié)構(gòu)振動周期，使橋梁結(jié)構(gòu)所作用的地震力減小。在震害發(fā)生后橫系梁結(jié)構(gòu)會快速進入塑性狀態(tài)，并通過其耗能機制消耗部分地震動能，從而提升雙柱式高墩橋梁結(jié)構(gòu)整體抗震性能。

4 結(jié)論

通過本文分析表明，將橫系梁加設在雙柱式高墩橋梁之間對橋梁縱向振動并不產(chǎn)生影響，但能有效提高墩身穩(wěn)定性，并調(diào)節(jié)橫橋向框架墩內(nèi)力結(jié)構(gòu)體系，使雙柱式高墩墩身受力水平顯著降低。根據(jù)對反應譜的分析，若在雙柱式高墩橋梁加設2道橫系梁以提升橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，則橫系梁應當設置在與高墩底端相距0.3h和0.8h的位置。橫系梁結(jié)構(gòu)的剛度是影響雙柱式高墩橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配的主要方面，當橫系梁剛度和墩身剛度比為0.3~0.6時，則雙柱墩和蓋梁所形成的門式框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分配便達到最合理狀態(tài)，墩身最大彎矩值較小，且橫系梁也會因較小的彈性抗彎剛度而呈現(xiàn)塑性狀態(tài)，充分發(fā)揮地震過程中耗能的作用，確保雙柱式高墩橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。