孫 恒

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

雙柱式框架墩一般由墩柱、蓋梁、系梁等組成，由于構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工便捷、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、外觀輕盈美觀，因而在公路橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在雙柱式橋墩墩高略高時(shí)，為保證橋墩的穩(wěn)定性，根據(jù)其高度設(shè)置相應(yīng)的柱間系梁。由于雙柱式橋墩、柱間系梁及橋墩蓋梁形成的門式框架是多次超靜定結(jié)構(gòu)，柱間系梁剛度與墩柱剛度相對(duì)值以及柱間系梁的位置直接影響橋墩的橫向內(nèi)力分配，系梁剛度過小導(dǎo)致系梁分配的內(nèi)力過小，可能墩柱破壞而橫系梁卻沒有損害，起不到調(diào)整雙柱式框架墩內(nèi)力的作用；系梁剛度過大導(dǎo)致系梁分配的內(nèi)力過大，可能墩身彎矩在橫系梁附近非常大，結(jié)果墩身承載力不足而發(fā)生彎曲破壞，使修復(fù)工作比較困難。系梁的設(shè)置位置同樣會(huì)影響墩柱的內(nèi)力分配，進(jìn)而影響到墩柱與系梁的破壞順序，因此，合理的柱間系梁設(shè)計(jì)能有效調(diào)整墩柱受力，保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)的安全。

柱間系梁的設(shè)置增加了橋墩穩(wěn)定性的同時(shí)也使橋梁地震激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)生變化，但柱間系梁設(shè)置對(duì)雙柱式橋墩結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律以及如何合理地設(shè)置柱間系梁，目前研究不足，現(xiàn)階段規(guī)范規(guī)定也并不明確。04版混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋規(guī)中僅對(duì)系梁的尺寸進(jìn)行限制:寬0.8～1.0倍墩徑，高1.0～1.2倍墩徑，配筋按照構(gòu)造布置；08版抗震細(xì)則中對(duì)系梁位置進(jìn)行規(guī)定，7 m一道。這些比較寬泛的規(guī)定導(dǎo)致現(xiàn)階段多數(shù)設(shè)計(jì)中對(duì)系梁位置、截面尺寸和配筋一般按照經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前國(guó)內(nèi)也有一些學(xué)者對(duì)柱間系梁設(shè)置位置和截面尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，例如蘭峰等對(duì)一座雙柱式高墩連續(xù)梁橋進(jìn)行了模態(tài)分析和反應(yīng)譜分析，認(rèn)為對(duì)于墩高超過30 m的雙柱墩，分別在距墩底0.3H和0.8H處設(shè)置與墩身剛度比為0.3～0.6的柱間系梁，結(jié)構(gòu)抗震性能最好[1]，但對(duì)于10～20 m墩高的橋墩柱間系梁設(shè)置情況，文中并沒有涉及。本文以某3×20 m預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式箱梁橋作為研究對(duì)象，研究柱間系梁對(duì)雙柱式橋墩抗震性能的影響，以其為同類橋梁抗震設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 工程概況

某高速公路一座預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式箱梁橋?qū)?2.75 m，梁高1.6 m，小箱梁間距3.15 m，共4片，橋墩處每片小箱梁設(shè)置兩個(gè)固定板式橡膠支座，橋臺(tái)處每片小箱梁設(shè)置兩個(gè)滑動(dòng)板式橡膠支座，兩個(gè)橋墩高度均為18 m，墩徑1.6 m，樁徑1.8 m，樁長(zhǎng)L為40 m，設(shè)置一道柱間系梁和一道樁間系梁。

2 柱間系梁對(duì)雙柱式橋墩抗震性能的影響分析

采用有限元計(jì)算軟件Midas Civil進(jìn)行建模分析，采用梁?jiǎn)卧M主梁、橋墩、蓋梁和柱間系梁，上部結(jié)構(gòu)中計(jì)入防撞護(hù)欄、鋪裝等二期荷載，二期荷載只計(jì)入其質(zhì)量，不考慮剛度，采用彈性連接模擬固定及滑動(dòng)板式橡膠支座，墩底采用六向固結(jié)支座[2]，不考慮樁基及樁側(cè)土對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。如圖1所示。

圖1 橋梁結(jié)構(gòu)離散圖

由于系梁的設(shè)置主要對(duì)橋墩橫橋向地震激勵(lì)作用下的結(jié)構(gòu)抗震性能影響較大，因而本文主要討論橋墩在橫橋向地震激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。由于設(shè)置兩道及以上系梁時(shí)，主梁的內(nèi)力增長(zhǎng)較大，從抗震角度考慮，應(yīng)當(dāng)盡量少設(shè)置系梁[3]，因此本次模型計(jì)算主要考慮以下兩種工況，不設(shè)置柱間系梁、居中設(shè)置一道柱間系梁，如圖2所示。

圖2 兩種工況下橋墩一般構(gòu)造圖

一般設(shè)計(jì)中墩柱和系梁配筋在長(zhǎng)度方向沒有變化，要使得墩柱后于系梁破壞，則應(yīng)當(dāng)使橋墩各控制截面彎矩大小盡量相近，通過控制墩身與系梁的配筋控制墩身與系梁的承載力大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)地震作用下系梁梁端先于橋墩發(fā)生屈服破壞。當(dāng)系梁兩端形成塑性鉸后，一方面降低結(jié)構(gòu)頻率，增大結(jié)構(gòu)周期，減小橫橋向地震作用，耗散地震能量；另一方面此時(shí)橋墩各控制截面彎矩大小與彈性階段相比增加不多，不至于引起墩身立即破壞，從而延緩了橋墩的損傷破壞過程，保護(hù)了墩身結(jié)構(gòu)的安全。

本文涉及橋梁為規(guī)則橋梁，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》[4]和橋址區(qū)的地震特征周期等參數(shù)得到場(chǎng)地加速度反應(yīng)譜，并將其按照橫橋向輸入到按照兩個(gè)工況建立的模型中進(jìn)行反應(yīng)譜分析，得到各墩身控制截面以及橫系梁梁端的最大彎矩值，其結(jié)果如表1。

表1 墩身以及柱間系梁端部最大彎矩值 kN·m

從表1可以看出，有柱間系梁時(shí)橫橋向結(jié)構(gòu)自振頻率0.830 Hz與無柱間系梁時(shí)橫橋向結(jié)構(gòu)自振頻率0.735 Hz相比增大了11.4%，即居中設(shè)置一道柱間系梁與不設(shè)置柱間系梁相比橫橋向結(jié)構(gòu)剛度增大，周期會(huì)變短，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)橫橋向地震作用力增大，設(shè)置柱間系梁能明顯影響結(jié)構(gòu)橫橋向動(dòng)力特性。有柱間系梁與無柱間系梁橋墩受力情況從工況2與工況1具體對(duì)比可以看出，墩底彎矩與墩柱柱底彎矩減小23.5%，墩柱柱頂彎矩減小48.7%，可見設(shè)置柱間系梁能有效減小墩柱彎矩。

為研究系梁設(shè)置位置對(duì)雙柱式橋墩橫向抗震性能的影響，改變工況2中柱間系梁的位置，將系梁位置分別設(shè)置于1/4墩高、1/3墩高、2/3墩高和3/4墩高處，采用相同的反應(yīng)譜分別計(jì)算，得到各墩身控制截面以及橫系梁梁端的最大彎矩值，其結(jié)果如表2。

表2 設(shè)置不同位置柱間系梁時(shí)墩身以及柱間系梁端部最大彎矩值 kN·m

從表1及表2中可以看出，設(shè)置一道柱間系梁時(shí)，只改變柱間系梁的設(shè)置位置對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性及地震響應(yīng)的影響不大，但對(duì)于墩柱的內(nèi)力重分布有明顯影響，墩底彎矩隨著系梁高度增加而增大，墩頂彎矩隨著系梁高度增加而減小，當(dāng)系梁高度設(shè)置在1/3墩高附近時(shí)橋墩墩底彎矩、墩頂彎矩以及系梁與墩相接處最大地震作用彎矩?cái)?shù)值相近，此時(shí)只需通過截面配筋控制墩身與系梁的承載力，使得系梁端部截面先于墩柱截面屈服，在系梁端部形成塑性鉸，降低結(jié)構(gòu)頻率，增大結(jié)構(gòu)周期，減小橫橋向地震作用，耗散地震能量，延緩橋墩的損傷破壞過程，保護(hù)了墩身結(jié)構(gòu)的安全。

3 結(jié)論

a）柱間系梁的設(shè)置不僅可以提高雙柱墩的穩(wěn)定性，對(duì)橋墩抗震性能也有較大影響。

b）當(dāng)設(shè)置一道柱間系梁時(shí)，只改變柱間系梁的設(shè)置位置對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性及地震響應(yīng)的影響不大，但對(duì)于墩柱的內(nèi)力重分布有明顯影響。

c）對(duì)于與本文類似的橋梁，系梁高度設(shè)置在1/3墩高附近時(shí)，橋墩墩底彎矩、墩頂彎矩以及系梁與墩相接處最大地震作用彎矩?cái)?shù)值相近，橋墩結(jié)構(gòu)的受力性能得到明顯改善，并可以通過控制墩柱與系梁配筋實(shí)現(xiàn)系梁端部截面先于墩柱截面屈服，在系梁端部形成塑性鉸，消耗地震動(dòng)能量，延緩橋墩的損傷破壞過程，保護(hù)墩身結(jié)構(gòu)的安全。