山區(qū)橋梁高墩抗震性能分析及評價

陽 斌，吳徐華

（中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014）

0 前 言

我國西部典型的山地特征使得橋梁橋墩往往很高，目前對高墩橋梁進行地震反應分析主要以規(guī)范公式法［1］和靜力推倒分析法（Pushvoer分析法）［2］為主。對于橋墩抗震性能的評價，在JTG／TB02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》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(fā)生破壞性地震時，雖結(jié)構(gòu)未倒塌，但因損傷過大，造成的經(jīng)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，并研究分析了山區(qū)橋梁中普遍存在的柱式墩、薄壁墩，指出了他們在高烈度地震下可能會出現(xiàn)非設計的預期結(jié)果，從構(gòu)造措施上給出了優(yōu)化抗震建議。

1 典型山區(qū)高墩橋梁

項目是貴州山區(qū)某高速上一座非常典型的高墩橋梁，上構(gòu)為40m 預制T梁，單向2車道，橋?qū)?2.25m，分聯(lián)墩墩高78m，橋墩設計為貴州山區(qū)非常常見的空心薄壁墩（6.5m×3.5m）、柱式墩（見圖1～3）。

圖1 空心薄壁墩一般構(gòu)造（單位：cm）

全橋共3聯(lián)：2m×（3m×40m）＋4m×40m；上部結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁。本地區(qū)場地類型為Ⅱ類，地震參數(shù)為抗震設防烈度Ⅶ度，地震動峰值加速度0.15g。全橋橋墩數(shù)據(jù)見表1。

表1 全橋橋墩基本參數(shù)

圖2 空心薄壁墩身鋼筋（單位：cm）

圖3 柱式墩一般構(gòu)造（單位：cm）

2 動力特性

動力特性是抗震性能評價的基礎(chǔ)，本橋考慮X方向（縱橋向）和Y方向（橫橋向）各35階的模態(tài)，對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)在計算方向上的有效參與質(zhì)量累計（見表2）。

表2 全橋模態(tài)分析有效參與質(zhì)量累計

從表2可以看出，在縱橋向和橫橋向均獲得了90%以上的參與質(zhì)量，可滿足規(guī)范要求。前5階振型見表3。

表3 全橋模態(tài)分析振型描述

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(xiàn)扭轉(zhuǎn)，以第3聯(lián)最為明顯，這是由于第3聯(lián)橋墩剛度差異過于明顯所致。

3 橋墩抗震性能評價

在基于性能抗震的設計理論中，現(xiàn)行規(guī)范并沒有在這方面有明確的量化指標要求。一般可用來橫量性能的參數(shù)有：變形、承載力、延性、曲率、阻尼比、有效剛度、能量等。參考文獻［3-5］，采用墩頂位移延性系數(shù)和墩頂位移角2個指標評定橋墩抗震性能，常見的還有采用曲率延性系數(shù)指標［4］。

墩頂延性位移系數(shù)是在地震荷載作用下墩頂?shù)淖畲笪灰婆c橋墩墩身首次進入屈服狀態(tài)時墩頂?shù)奈灰?，即u＝um／uy。由文獻［6］可知，對于常規(guī)的橋墩構(gòu)件，懸臂墩或框架墩的縱橋向計算在墩底截面剛剛屈服時，可被認為曲率沿墩高線性分析，并得到墩頂屈服位移uy＝（1／3）×Φy×H2，其中Φy作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作pushover分析得出。本文位移角可定義為墩頂位移與墩高的比值（見表4～5）。

表4 抗震性能指標墩頂位移延性系數(shù)

表5 抗震性能指標墩頂位移角

本橋墩高超30m，為非規(guī)則橋梁，地震分析方法運用MIDASCIVIL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100年超越概率10%水平向峰值加速度（E2）），計算結(jié)果取3組的最大值（見圖4）。

圖4 某一組時程波

由于篇幅有限，本文只列出最高墩（7號）時程墩頂位移圖（見圖5～6），其他見統(tǒng)計表6～7。

表6 縱向地震波抗震性能評價

圖5 7號墩縱向位移

圖6 7號墩橫向位移

從時程分析結(jié)果來看，不同的抗震性能評價指標反映的結(jié)論并不一致。本橋的位移延性系數(shù)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(xiàn)行抗震規(guī)范并沒有在橋墩抗震性能評價指標上有具體的規(guī)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比延性更好，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(fā)生剪切破壞，這不是期望的破壞結(jié)果。

表7 橫向地震波抗震性能評價

4 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(qū)高墩中往往有高達30～40m的情形，通常會設置2～3道中系梁，中系梁可減小圓柱墩橫橋向長細比，以提高穩(wěn)定性，但他會改變橋墩的側(cè)向剛度。以本橋的9墩為例，通過橋墩的橫向抗震分析發(fā)現(xiàn)（見圖7），當墩頂位移達到14cm左右時，橋墩中系梁附近會提前出現(xiàn)屈服，甚至會優(yōu)先于墩頂?shù)孜恢们?，這顯然是對抗震不利的。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?shù)孜恢冒l(fā)生屈服。中系梁的存在會造成墩身剛度突變，柱彎矩、剪力在此位置都會發(fā)生突變，中系梁往往尺寸很大但長度又比較短，造成中系梁剛度與柱剛度相差很大。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，在橫向地震作用下，中系梁的存在還會造成墩柱軸力上發(fā)生劇烈的變化。

圖7 橋墩的橫向抗震分析

綜上分析，對于橋墩中系梁宜盡量少設或不設，對已設中系梁橋墩，墩身在中系梁附近宜作箍筋加強，系梁兩端也宜做箍筋加強，避免剪切先于彎曲破壞。

5 高墩的墩頂允許位移

山區(qū)高墩常見有實心矩形墩、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(guī)定，塑性鉸區(qū)域的最大容許轉(zhuǎn)角與極限破壞狀態(tài)的曲率、等效屈服曲率、等效塑性鉸長度有關(guān)。本文以7號高墩為例，墩高67.1m，設計為空心薄壁墩（6.5m×3.5m）。

利用MIDASCIVIL先作彎矩-曲率分析（見圖8），也可參考文獻［1］、［7］，得出該墩在橫向位移下，等效屈服曲率為0.00057m-1，極限曲率為0.0035m-1。利用MIDASCIVIL作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。依此計算出7號墩頂橫向容許位移約為1.9m，縱向容許位移會更大，因為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(fā)生破壞，而橋墩的連接上構(gòu)的支座（分聯(lián)位置會設置支座，其他位置一般固結(jié)）卻是無法適應如此大的位移。在橋墩抗震概念設計中，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，對擋塊、蓋梁等可以通過尺寸增大、配筋加強來提高，但對本橋的支座要適應如此大的位移，支座設計將會十分困難，這亦說明支座是高墩橋梁抗震的一個非常脆弱的環(huán)節(jié)，應盡量避免設置支座。

圖8 橋墩的彎矩-曲率曲線

6 結(jié) 論

（1）通過對貴州山區(qū)一典型實際橋梁橋墩抗震分析，在滿足設防烈度要求下，各類型橋墩抗震性能均表現(xiàn)為可滿足目標要求。

（2）圓柱墩抗震性能不僅與墩高有關(guān)，還與上部構(gòu)件連接的邊界條件有關(guān)，并且同一聯(lián)不同剛底橋墩還會相互影響，但總的趨勢是墩身較高的圓墩抗震性能比較低的要好。

（3）從橋墩抗震性能指標評價，空心薄壁墩性能優(yōu)于圓柱墩，圓柱墩抗剪能力比矩形墩差，更容易發(fā)生剪切破壞，因而圓柱墩耗能能力更差。

（4）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得很小，通常在12m內(nèi)，這對于抗震而言并無益處。橋墩墩身系梁的存在會使墩身剛度沿高度上發(fā)生突變，使得墩身系梁位置在地震荷載下會產(chǎn)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(qū)，易形成新的塑性鉸區(qū)域。

（5）空心薄壁墩剛度很大，橫向屈服曲率雖然小于圓柱墩，但由于墩身非常高，使得墩頂容許位移會很大，已超出支座所能承受范圍，這意味著分聯(lián)處的薄壁墩支座會先于橋墩破壞，如對支座進行能力保護原則設計時，支座的設計將會變得很困難。