山区桥梁桥墩抗震性能探析

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【摘要】以贵州山区某高速桥梁为例，围绕山区桥梁高墩的抗震性能评价展开研究，并针对山区中常见的薄壁墩和圆柱墩，进行抗震性能对比，分析了抗震设计中的困难。

【关键词】山区高墩；抗震分析；抗震性能评价

1背景分析

目前，对高墩桥梁进行地震反应分析主要以规范公式法和静力推倒分析法为主。对于桥墩抗震性能的评价，JTG/TB02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》【1】并没有给出量化的计算方法，只是提出了两水准设防、两阶段设计的抗震设计理念。实际发生破坏性地震时，虽结构未倒塌，但因损伤过大，造成的经济损失往往超出建设单位的承受能力。针对以上问题，本文尝试引入量化指标对桥墩抗震性能进行评估，可作为社会经济性评价参考。本文研究分析山区桥梁中普遍存在的柱式墩、薄壁墩，指出了其在高烈度地震下可能会出现非设计的预期结果，并从构造措施上给出了优化抗震建议。

2典型山区高墩桥梁

本桥是贵州山区某高速上1座非常典型的高墩桥梁，上构为40m预制T梁，单向2车道，桥宽12.25m，全桥共3联：2×（3×40m）+4×40m；上部结构采用结构连续T梁。本地区场地类型为Ⅱ类，地震参数为抗震设防烈度7度，地震动峰值加速度0.15g。墩高分为空心薄壁墩（6.5m×3.0m，壁厚0.5m，墩身主筋HRB500D32）和双柱式墩，该类桥墩均为贵州山区非常常见的桥墩。全桥下构共9个桥墩，1～5#和9#墩为圆柱墩，直径2m；6～8#墩为6.5m×3.0m空心薄壁墩；3#、6#为分联墩；7～9#墩梁固结；1～9#墩高分别为：13.5m、27.2m、17.1m、11.9m、27.4m、56.2m、67.1m、59.8m、33.3m。

3动力特性

动力特性是抗震性能评价的基础，本桥考虑X方向（纵桥向）和Y方向（横桥向）各35阶的模态。对结构进行模态分析，X、Y方向有效参与质量合计分别为92.85%、93.24%，纵桥向和横桥向均获得了90%以上的参与质量，可满足规范要求。前5阶振型频率分别为0.32Hz、0.39Hz、0.4Hz、0.43Hz、0.62Hz，周期分别为：3.11s、2.53s、2.48s、2.29s、1.60s，前5阶振型描述分别为：全桥纵向振动、全桥纵向振动、全桥横向振动并有扭转、全桥纵向振动、全桥横向振动并有扭转。山区桥梁桥墩一般都比较高，纵向刚度较柔，可从全桥的动力特性分析得出纵向与横向刚度的差异。通过以上分析可知，本桥桥墩普遍较高，桥墩较柔，因而自振频率较低；1～2阶振型皆为纵向，说明本桥纵向刚度小于横向刚度；横向振型中出现扭转，以第三联最为明显，是第三联桥墩刚度差异过于明显所致。

4桥墩抗震性能评价

在基于性能抗震的设计理论中，现行规范并没有在这方面有明确的量化指标要求，一般情况下可用来衡量性能的参数有：变形、承载力、延性、曲率、阻尼比、有效刚度、能量等。本文采用墩顶延位移性系数和墩顶位移角2个指标来评定桥墩抗震性能。墩顶延性位移系数定义为在地震荷载作用下，墩顶的最大位移与桥墩墩身首次进入屈服状态时墩顶位移的比值，即u=um/uy。对于常规的桥墩构件，悬臂墩或框架墩的纵桥向计算在墩底截面刚刚屈服时，可认为曲率沿墩高线性分析，可得到墩顶屈服位移uy=（1/3）准yH2，其中，H为墩高；准y为桥墩的屈服曲率，可由桥墩的弯矩-曲率曲线得到，对于框架墩横桥向屈服位移需要做pushover分析得出。本文位移角可定义为墩顶位移与墩高的比值。综合参考文献【2，3】，对位移延性系数定义为完好（0，1]、基本完好（1，1.2]、轻微破坏（1.2，3]、中等破坏（3，4]、严重破坏（4，6]5类性能水准，位移角限值定义为完好1/500、正常使用1/400、修复后使用1/175、生命安全1/100、防倒塌1/505类性能水准。本桥墩高超30m为非规则桥梁，地震分析方法运用MIDASCIVIL软件采用时程分析。由贵州省地震局工程地震研究中心、武汉地震工程研究院有限公司提供的3组时程波计算（按100a超越概率10%水平向峰值加速度），计算结果取3组的最大值。时程分析墩顶位移见表1。从时程分析结果来看，不同的抗震性能评价指标反映的结论并不完全一致。本桥的位移延性系数指标均可满足完好指标，但位移角却存在不同的评价，总体上都能满足修复后使用要求。由于现行抗震规范并没有在桥墩抗震性能评价指标上有具体的规定，所以需要综合多种指标来评价分析，并确保每项指标都能满足最低目标性能要求。从桥墩类型抗震性能角度分析，空心薄壁墩比圆柱墩的延性更好，其变形为弯曲破坏，能消耗大量的地震能量，圆柱墩如果墩身过矮则有可能发生剪切破坏，这不是期望的破坏结果。圆柱墩抗震性能不仅与墩高有关，还与上部构件连接的边界条件有关，并且同一联不同刚度桥墩还会相互影响，但是，总趋势是墩身较高的圆墩抗震性能比较低的要好。

5框架墩横向抗震分析

双柱或者多柱墩是非常常见的桥墩形式，在贵州山区高墩中往往有墩高达30～40m的情形，通常会设置2～3道中系梁，中系梁的存在可减小圆柱墩横桥向长细比，提高稳定性，但其会改变桥墩的侧向刚度。以本桥的9#墩为例，通过桥墩的横向抗震分析发现，当墩顶位移达到14cm，桥墩中系梁附近会提前出现屈服，甚至会优先于墩顶底位置屈服，这显然是对抗震性能不利的。对比其他有中系梁的圆柱墩亦有类似情况，即中系梁附近可能会先于桥墩顶底位置发生屈服。贵州高速公路圆柱墩习惯上采用密系梁，即桥墩系梁间距控制的很小，通常在12m内。这对于抗震而言并无益处，中系梁的存在会造成墩身刚度沿高度上发生突变，柱弯矩、剪力在此位置都会有突变，使得墩身系梁位置在地震荷载下会产生更大的水平力，而墩身系梁上下位置一般不会加强，这导致系梁上下附近的墩身变成薄弱区，易形成新的塑性铰区域。中系梁往往尺寸很大但长度又较短，造成中系梁刚度与柱刚度相差很大，而刚度差异越大，墩柱在中系梁附近越易形成薄弱层（形成塑性铰或剪坏）。此外，对于多柱墩，中系梁的存在还会造成墩柱轴力上发生剧烈的变化。综上分析，对于桥墩中系梁宜尽量少设，最好不设，对已设中系梁桥墩，墩身在中系梁附近宜进行箍筋加强，系梁两端也宜进行箍筋加强，避免剪切先于弯曲破坏。

6高墩的墩顶允许位移

山区高墩常见的有实心矩形墩、空心矩形墩，这类桥墩刚度通常很大，按公路桥梁抗震细则规定，塑性铰区域的最大容许转角与极限破坏状态的曲率、等效屈服曲率、等效塑性铰长度有关。本文以7#高墩为例，7#墩高67.1m，设计为空心薄壁墩（6.5m×3.5m）。利用MIDASCIVIL做弯矩-曲率分析，可得出该墩在横向位移下，等效屈服曲率为0.00057m-1，极限曲率为0.0035m-1。利用MIDASCIVIL做墩顶容许位移分析时，认定当桥墩墩身任意位置曲率达到极限曲率的一半时即到达设计容许曲率，此时墩顶位移即为容许位移。以此计算出7#墩顶横向容许位移约为1.9m，纵向容许位移会更大，原因是桥墩纵向刚度比横向小，纵向的等效屈服曲率和极限曲率都比横向要大。由此可见，由于薄壁墩墩身很高，导致计算出墩顶容许位移非常大，这意味着薄壁墩墩身并不容易发生破坏，而桥墩连接上构的支座（分联位置会设置，其他位置一般固结）却无法适应如此大的位移。在桥墩抗震概念设计理念中，按能力保护原则，一般会要求桥墩的盖梁、挡块、桩基、支座等不应先于桥墩墩身破坏，显然对于挡块、盖梁等可以通过尺寸增大、配筋加强来提高，但对于本桥的支座，要适应如此大的位移，支座设计本身将会十分困难，这亦说明支座是高墩桥梁抗震的一个非常脆弱的环节，应尽量避免设置支座。

7结语

本文通过贵州山区一典型实际桥梁的桥墩抗震分析，从不同类型桥墩抗震性能指标评价、圆柱墩系梁的设置、墩顶横向位移3个方面深入研究讨论，分析的结论具有较大实用价值，可供工程人员参考。

【参考文献】

【1】JTG/TB02-01—2008公路桥梁抗震设计细则[S].

【2】刘艳辉.基于性能抗震设计理论的城市高架桥抗震性能研究[D].成都:西南交通大学,2008.

【3】李正英,李竟涛.钢筋混凝土高墩抗震性能评价指标[J].重庆大学学报,2014,37(2):69-74.

作者:阳斌 单位:中国公路工程咨询集团有限公司路桥设计研究院分公司