中小跨徑橋梁柱式橋墩系梁設(shè)計的一些探討

白偉

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

西部山區(qū)高速公路橋梁通常采用中小跨徑雙柱式或多柱式橋墩結(jié)構(gòu)形式，受地形、地貌限制，橋墩墩柱普遍較高，對于墩高較高的柱式橋墩基本都采用了橫系梁設(shè)置，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的橫向整體性；西部山區(qū)橋梁大多都處在地震高烈度區(qū)，系梁應(yīng)具有合理的抗震性能設(shè)計，才能起到保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)安全的“保險絲”單元作用。目前關(guān)于系梁的論文研究，大多集中在雙肢薄壁高墩系梁與常規(guī)跨徑柱式橋墩系梁的計算模擬上，大多從系梁設(shè)置位置、系梁設(shè)置數(shù)量、系梁設(shè)置剛度等方面模擬研究了某單個橋梁系梁對橋墩抗震性能的影響，并選擇最佳設(shè)置方案[1-2]，很少從規(guī)范的角度出發(fā)依托整個山區(qū)項目，結(jié)合實際地形地貌來研究系梁的合理設(shè)置，并且很少研究系梁的抗震配筋設(shè)計。

1 研究背景

對于中小跨徑橋梁，柱式橋墩系梁的設(shè)置是必不可少的一個環(huán)節(jié)，但在設(shè)計過程中存在隨意性，系梁設(shè)計不合理現(xiàn)象時有發(fā)生，對于系梁設(shè)置的不規(guī)范現(xiàn)象，歸納總結(jié)主要有以下3 個方面。

第一，系梁設(shè)置過多，猶如“天梯”，其必要性存疑，視角效果差，如圖1 所示。目前也有工程實例，墩高也就30 m 左右，而柱系梁設(shè)置則達(dá)到4 道或者更多。過多的設(shè)置柱系梁不知是否有必要，而且過多的設(shè)置柱系梁在視覺上效果較差，不美觀。產(chǎn)生以上柱系梁設(shè)置現(xiàn)象的原因，筆者認(rèn)為是老規(guī)范JTG/T B02—01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》[3]（以下簡稱“08細(xì)則”）規(guī)定的不明確，該規(guī)范第11.4.7 條規(guī)定“在8度區(qū)，高度大于7 m 的柱式橋墩和排架樁墩應(yīng)設(shè)置橫系梁”，在設(shè)計過程中，有人認(rèn)為該規(guī)定僅適用于8度及8 度以上的地震區(qū)，且僅對樁頂系梁進(jìn)行了規(guī)定，不適用于柱間系梁，遠(yuǎn)不適應(yīng)現(xiàn)在高度達(dá)30～40 m甚至更高的柱式高墩的設(shè)計需要，也有人認(rèn)為應(yīng)沿墩身高度方向按7 m 間距設(shè)置一道柱系梁，正因為規(guī)范規(guī)定的不明確及設(shè)計人員對規(guī)范規(guī)定的理解不一致而導(dǎo)致上述系梁設(shè)置問題的出現(xiàn)。

圖1 系梁設(shè)置道數(shù)過多，視角效果差

第二，各墩系梁參差不齊，景觀差，如圖2 所示。目前大多工程中都存在左右幅橋梁柱系梁位置的不協(xié)調(diào)，造成左右幅橋墩系梁參差不齊，景觀效果差，筆者認(rèn)為造成該問題的主要原因也是規(guī)范規(guī)定的欠缺，不論是老規(guī)范“08 細(xì)則”還是JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[4]（以下簡稱“07 樁規(guī)”），都未對系梁設(shè)置位置做規(guī)定，設(shè)計上大多都按照設(shè)計原則來設(shè)計柱系梁道數(shù)及位置，未考慮左右幅相鄰墩系梁位置的協(xié)調(diào)性。

圖2 系梁參差不齊，景觀差

第三，系梁在地震過程中的破壞狀況嚴(yán)重，如圖3所示。在地震過程中，系梁作為耗能構(gòu)件，地震過程中應(yīng)先使系梁耗能屈服，以保證橋墩的完整或者不至于倒塌，但在以往地震中，往往會出現(xiàn)系梁墩柱節(jié)點處系梁破壞墩柱也破壞，或者系梁未破壞而墩柱出現(xiàn)破壞，筆者認(rèn)為這主要是系梁的剛度尺寸選擇及配筋設(shè)計不合理導(dǎo)致的，JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[5]（以下簡稱“04 公規(guī)”）及“07 樁規(guī)”對系梁的尺寸選擇只給了一個范圍，對系梁縱筋、箍筋設(shè)置只給了一個最小配筋設(shè)計，而設(shè)計上都是套用設(shè)計原則和以往設(shè)計經(jīng)驗，使用系梁尺寸及配筋圖，沒有一個定性的分析方法，故造就了隨意的系梁尺寸選擇及鋼筋配置，對橋墩抗震反而不利，應(yīng)在結(jié)合規(guī)范尺寸的前提下，進(jìn)行系梁鋼筋設(shè)計的“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎”定性分析驗算。

圖3 系梁地震破壞狀況

2 相關(guān)問題的探討

系梁的設(shè)置不僅可以增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)整體性，還可以提高橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能，合理設(shè)計系梁能夠使系梁在地震動作用下起到“保險絲”單元的作用， 保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)的安全，而不合理的系梁尺寸選擇及鋼筋配置反而對橋墩抗震不利[6]，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定及實例工程中的設(shè)計情況，筆者就以系梁道數(shù)設(shè)置、系梁位置設(shè)置、系梁剛度設(shè)置、系梁配筋設(shè)計4 個方面談?wù)勛约旱囊恍├斫馀c看法。

2.1 系梁道數(shù)設(shè)置探討

目前實例工程中，當(dāng)墩高大于35 m 時一般會采用空心薄壁墩或者其他形式的橋墩，對于墩高H≤35 m時，一般選擇柱式橋墩，柱間系梁的選擇一般為：當(dāng)墩高H＜10 m 時，不設(shè)柱間系梁；當(dāng)墩高10 m≤H＜20 m 時，只設(shè)置一道柱間系梁；當(dāng)墩高20 m≤H＜30 m時，設(shè)置兩道柱間系梁；當(dāng)墩高H≥30 m 時，設(shè)置三道柱間系梁。不同設(shè)計院設(shè)計原則會有差別，但跟以上柱系梁設(shè)計原則大同小異，這種設(shè)置方式也和JTG/T 2231—01—2020《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》[7]（以下簡稱“20 公路抗規(guī)”）第11.3.6 條規(guī)定保持一致，新規(guī)范“20 公路抗規(guī)”相比舊規(guī)范“08 細(xì)則”增加了系梁道數(shù)的設(shè)置，故筆者建議系梁設(shè)置道數(shù)保持和新規(guī)范一致。

2.2 系梁設(shè)置位置探討

目前相關(guān)規(guī)范并沒有規(guī)定柱系梁位置的設(shè)置，當(dāng)只需要設(shè)置一道柱系梁時，隨著系梁設(shè)置高度的降低，自振頻率先增大后減小，地震位移先減小后增大，當(dāng)系梁設(shè)置在墩柱中心時，自振頻率最大，地震位移最小，系梁的地震彎矩最大，可以在地震時首先進(jìn)入塑性狀態(tài)，以消耗地震能量達(dá)到抗震效果，故設(shè)置一道系梁時可以將橋墩系梁設(shè)置在墩柱中心[8-9]；設(shè)置兩道柱系梁，且柱系梁沿墩柱高度方向比較均勻地布置時，對鋼筋混凝土曲線梁橋的整體地震反應(yīng)最為有利[10]，這也和以往設(shè)計經(jīng)驗相吻合（設(shè)計經(jīng)驗中一般也按均分墩高設(shè)置）；當(dāng)設(shè)置三道柱系梁時，結(jié)構(gòu)受力和設(shè)置兩道系梁時規(guī)律相似，系梁也可按墩高均分設(shè)置。

綜合2.1、2.2 的討論，筆者認(rèn)為系梁的道數(shù)及位置設(shè)計在結(jié)合計算分析及設(shè)計原則的基礎(chǔ)上，還應(yīng)全方位考慮左右幅相鄰橋墩系梁位置設(shè)置的協(xié)調(diào)性，綜合選擇系梁道數(shù)及位置，保證橋梁運營期的美觀性。

2.3 系梁設(shè)置剛度探討

在橫向地震作用下，雙主墩彎矩受力簡圖如圖4所示。由圖4 可知，無系梁時，雙主墩墩頂、墩底彎矩最大，反彎點基本在墩中心；設(shè)置系梁時，不管是設(shè)置一道系梁還是兩道系梁，墩身的彎矩分配都發(fā)生顯著變化，且在系梁和墩柱相接節(jié)點處，系梁所承受的彎矩始終為節(jié)點上、下墩身彎矩之和，即M1+M2=M3，系梁承受彎矩大于節(jié)點處墩身彎矩，同時地震時在雙柱式墩產(chǎn)生的豎向力在無系梁時由蓋梁剪力承擔(dān)，而在有系梁時該豎向力由蓋梁剪力+系梁剪力共同承擔(dān)，這就使墩頂、墩底彎矩有所減小，由上述分析可知，在地震作用下系梁先屈服耗能以保證橋墩的結(jié)構(gòu)安全是可行的，考慮到實際地震動下結(jié)構(gòu)失效路徑的復(fù)雜性，系梁的抗彎剛度比墩身的抗彎剛度小比較好。

圖4 橫橋向地震下雙柱墩彎矩圖

文獻(xiàn)[11]的研究結(jié)果表明，當(dāng)系梁的寬度取0.6D、0.75D，高度取0.7D、0.85D（D為墩柱直徑）時，對結(jié)構(gòu)抗震最有利；文獻(xiàn)[12]對設(shè)置橫系梁的雙柱式橋墩地震易損性進(jìn)行了分析，分析得出當(dāng)隨著系梁與墩柱的剛度比逐漸增大時，墩柱的破壞概率逐漸減小，當(dāng)剛度比大于0.54 時，墩柱破壞概率大幅降低，再增大系梁尺寸意義不大，故選取剛度比在0.54 附近較好；筆者對JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[13]（以下簡稱“18 公規(guī)”）給的系梁選取尺寸進(jìn)行了剛度對比分析，當(dāng)系梁寬度、高度系數(shù)分別取規(guī)范規(guī)定范圍的下限值時，即寬度系數(shù)取0.6、高度系數(shù)取0.8，系梁抗彎剛度I1=bh3/12 與墩柱的抗彎剛度I2=πd4/64 比值為0.52，依據(jù)以上分析，筆者建議系梁的剛度尺寸可以選取規(guī)范規(guī)定的下限值，即系梁寬度取0.6D，高度取0.8D。

2.4 系梁配筋設(shè)計探討

目前現(xiàn)行規(guī)范只針對構(gòu)造的系梁配筋規(guī)定了一個最小配筋設(shè)計，處于Ⅵ度區(qū)橋墩設(shè)置系梁只滿足了構(gòu)造鋼筋的配置，但對處在高震區(qū)的橋墩，若按照規(guī)范規(guī)定的配筋，筆者認(rèn)為不太妥當(dāng)，處在高震區(qū)的系梁應(yīng)按照“強(qiáng)柱弱梁，強(qiáng)剪弱彎”的設(shè)計理念進(jìn)行設(shè)計；系梁相對于橋墩來說，其抗彎承載力應(yīng)比墩柱抗彎承載力小，這才能保證系梁先屈服耗能；系梁應(yīng)按抗剪能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，抗彎按塑性理念設(shè)計，保證系梁“強(qiáng)剪弱彎”。

針對系梁與墩柱“強(qiáng)柱弱梁”延性設(shè)計、系梁“強(qiáng)剪弱彎”抗彎延性設(shè)計、抗剪能力保護(hù)設(shè)計，筆者提出以下計算公式以方便定性分析系梁、墩柱配筋設(shè)計。對于系梁與墩柱“強(qiáng)柱弱梁”延性設(shè)計，參照“20 公路抗規(guī)”，按能力保護(hù)方法計算雙柱和多柱墩蓋梁彎矩設(shè)計值的思想，系梁與墩柱節(jié)點處墩柱的彎矩設(shè)計值引入極限彎矩超強(qiáng)系數(shù)φ0進(jìn)行調(diào)整：

式（1）中：∑Mс為考慮地震組合的系梁上、下柱端的彎矩設(shè)計值之和；φ0為極限彎矩超強(qiáng)系數(shù)，取1.2；Mu為按截面實配鋼筋，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算出的系梁端部極限彎矩值。

式（1）反映了通過對系梁端部彎矩進(jìn)行調(diào)整，以調(diào)整后的彎矩值作為系梁上下墩柱的彎矩設(shè)計值，以達(dá)到系梁與墩柱“強(qiáng)柱弱梁”的延性設(shè)計，式（1）在另一方面還可以反映在設(shè)置系梁進(jìn)行抗震設(shè)計時，與系梁相鄰的上下墩柱按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計（在系梁破壞以前），這也和地震作用下保證系梁先屈服耗能相適應(yīng)。

系梁抗剪按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，參照蓋梁能力保護(hù)剪力設(shè)計值計算公式，并考慮系梁重力荷載下的剪力設(shè)計值，公式可修正如下：

式（2）中：Vс0為系梁剪力設(shè)計值；為按截面實配鋼筋，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算出的系梁左端極限彎矩值；為按截面實配鋼筋，采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計算出的系梁右端極限彎矩值；Ln為系梁兩端塑性鉸中心的距離，可取系梁凈長度；VGb為重力荷載下系梁的剪力設(shè)計值。

由于橋涵設(shè)計相關(guān)規(guī)范對系梁抗剪驗算未做相關(guān)規(guī)定，筆者建議參照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[14]（以下簡稱“10 混規(guī)”），引用“10 混規(guī)”在地震作用下框架梁的斜截面抗剪驗算式，考慮到地震破壞傳力路徑的復(fù)雜性，系梁在地震剪切破壞時材料強(qiáng)度可能未達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，引入了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)Φ對公式做了簡單修正，用修正后的公式對系梁的抗剪箍筋進(jìn)行一個定性的計算分析，偏于安全。

式（3）中：Φ為抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.85；αсv為斜截面混凝土受剪承載力系數(shù)，取0.7；ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，按“10 混規(guī)”取值；b為系梁寬度；h0為系梁截面有效高度；fyv為箍筋抗剪強(qiáng)度設(shè)計值；Asv為配置在同一系梁截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積；s為箍筋沿系梁長度方向間距。

系梁的設(shè)置可以有效減小墩柱的彎矩、系梁的先屈服耗能，在整個地震動過程中，延緩了墩柱塑性屈服的時間，為墩柱盡可能地保持完整提供了條件。以上公式說明：在系梁破壞前，系梁抗彎是塑性設(shè)計，抗剪是能力保護(hù)設(shè)計，橋墩墩柱抗彎、抗剪是能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計；當(dāng)系梁屈服破壞后，可認(rèn)為此時無系梁，橋墩墩柱抗彎應(yīng)按延性設(shè)計，抗剪按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，故對墩柱的設(shè)計應(yīng)取系梁破壞前設(shè)計和系梁破壞后設(shè)計的較大值。

3 結(jié)論與建議

筆者從規(guī)范及實例工程角度出發(fā)，對橋墩系梁的設(shè)置位置、剛度、道數(shù)及配筋進(jìn)行了探討，并給出自己的理解與建議，總結(jié)如下。

對于系梁道數(shù)的設(shè)置，結(jié)合以往項目設(shè)計經(jīng)驗及“20 公路抗規(guī)”的新規(guī)定，筆者建議按照規(guī)范的規(guī)定選擇系梁道數(shù)。

從橋墩抗震結(jié)構(gòu)受力層面來說，橋墩系梁位置的選擇可以根據(jù)系梁設(shè)置道數(shù)均分橋墩高度H設(shè)置，對于單幅橋或墩高相差不大的雙幅橋是適應(yīng)的，對于處在橫向陡坡上左右橋墩高差相差較大的橋墩系梁，為了保證左右橋墩系梁位置的協(xié)調(diào)性，可以根據(jù)受力做進(jìn)一步調(diào)整，將左右系梁設(shè)置在一個水平面上，以增加橫向美觀性。

對于系梁剛度尺寸的選擇，考慮到實際地震動下結(jié)構(gòu)失效路徑的復(fù)雜性及相關(guān)論文的研究成果，建議系梁的剛度尺寸可以選取“18 公規(guī)”規(guī)定的下限值。

對于橋墩系梁的抗震配筋，筆者從橋墩系梁的作用及破壞機(jī)理出發(fā)，給出系梁抗彎延性設(shè)計，抗剪能力保護(hù)設(shè)計的系梁剪力設(shè)計值確定及驗算公式，引入了極限彎矩超強(qiáng)系數(shù)φ0，給出了橋墩與系梁“強(qiáng)柱弱梁”延性設(shè)計時橋墩彎矩設(shè)計值的調(diào)整公式；引入以上公式可以定性計算分析系梁設(shè)計的合理性。