陽(yáng) 斌，吳徐華

（中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014）

0 前 言

我國(guó)西部典型的山地特征使得橋梁橋墩往往很高，目前對(duì)高墩橋梁進(jìn)行地震反應(yīng)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(duì)于橋墩抗震性能的評(píng)價(jià)，在JTG／TB02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》并沒(méi)有給出量化的計(jì)算方法，只是提出了“兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計(jì)”的抗震設(shè)計(jì)理念。實(shí)際發(fā)生破壞性地震時(shí)，雖結(jié)構(gòu)未倒塌，但因損傷過(guò)大，造成的經(jīng)濟(jì)損失往往超出建設(shè)單位的承受能力。針對(duì)以上問(wèn)題，本文嘗試引入量化指標(biāo)對(duì)橋墩抗震性能進(jìn)行評(píng)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?cè)诟吡叶鹊卣鹣驴赡軙?huì)出現(xiàn)非設(shè)計(jì)的預(yù)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(xiàng)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(yù)制T梁，單向2車(chē)道，橋?qū)?2.25m，分聯(lián)墩墩高78m，橋墩設(shè)計(jì)為貴州山區(qū)非常常見(jiàn)的空心薄壁墩（6.5m×3.5m）、柱式墩（見(jiàn)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(chǎng)地類(lèi)型為Ⅱ類(lèi)，地震參數(shù)為抗震設(shè)防烈度Ⅶ度，地震動(dòng)峰值加速度0.15g。全橋橋墩數(shù)據(jù)見(jiàn)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(dòng)力特性

動(dòng)力特性是抗震性能評(píng)價(jià)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，得到結(jié)構(gòu)在計(jì)算方向上的有效參與質(zhì)量累計(jì)（見(jiàn)表2）。

表2 全橋模態(tài)分析有效參與質(zhì)量累計(jì)

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(mǎn)足規(guī)范要求。前5階振型見(jiàn)表3。

表3 全橋模態(tài)分析振型描述

通過(guò)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(shuō)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(guò)于明顯所致。

3 橋墩抗震性能評(píng)價(jià)

在基于性能抗震的設(shè)計(jì)理論中，現(xiàn)行規(guī)范并沒(méi)有在這方面有明確的量化指標(biāo)要求。一般可用來(lái)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(xiàn)［3-5］，采用墩頂位移延性系數(shù)和墩頂位移角2個(gè)指標(biāo)評(píng)定橋墩抗震性能，常見(jiàn)的還有采用曲率延性系數(shù)指標(biāo)［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(jìn)入屈服狀態(tài)時(shí)墩頂?shù)奈灰?，即u＝um／uy。由文獻(xiàn)［6］可知，對(duì)于常規(guī)的橋墩構(gòu)件，懸臂墩或框架墩的縱橋向計(jì)算在墩底截面剛剛屈服時(shí)，可被認(rèn)為曲率沿墩高線(xiàn)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(xiàn)得到，對(duì)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(jiàn)表4～5）。

表4 抗震性能指標(biāo)墩頂位移延性系數(shù)

表5 抗震性能指標(biāo)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(yùn)用MIDASCIVIL軟件采用時(shí)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(shí)程波計(jì)算（按100年超越概率10%水平向峰值加速度（E2）），計(jì)算結(jié)果取3組的最大值（見(jiàn)圖4）。

圖4 某一組時(shí)程波

由于篇幅有限，本文只列出最高墩（7號(hào)）時(shí)程墩頂位移圖（見(jiàn)圖5～6），其他見(jiàn)統(tǒng)計(jì)表6～7。

表6 縱向地震波抗震性能評(píng)價(jià)

圖5 7號(hào)墩縱向位移

圖6 7號(hào)墩橫向位移

從時(shí)程分析結(jié)果來(lái)看，不同的抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)反映的結(jié)論并不一致。本橋的位移延性系數(shù)指標(biāo)均可滿(mǎn)足完好指標(biāo)，但位移角卻存在不同的評(píng)價(jià)，總體上都能滿(mǎn)足修復(fù)后使用要求。由于現(xiàn)行抗震規(guī)范并沒(méi)有在橋墩抗震性能評(píng)價(jià)指標(biāo)上有具體的規(guī)定，所以需要綜合多種指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)分析，并確保每項(xiàng)指標(biāo)都能滿(mǎn)足最低目標(biāo)性能要求。從橋墩類(lèi)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(guò)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(píng)價(jià)

4 框架墩橫向抗震分析

雙柱或者多柱墩是非常常見(jiàn)的橋墩形式，在貴州山區(qū)高墩中往往有高達(dá)30～40m的情形，通常會(huì)設(shè)置2～3道中系梁，中系梁可減小圓柱墩橫橋向長(zhǎng)細(xì)比，以提高穩(wěn)定性，但他會(huì)改變橋墩的側(cè)向剛度。以本橋的9墩為例，通過(guò)橋墩的橫向抗震分析發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)圖7），當(dāng)墩頂位移達(dá)到14cm左右時(shí)，橋墩中系梁附近會(huì)提前出現(xiàn)屈服，甚至?xí)?yōu)先于墩頂?shù)孜恢们?，這顯然是對(duì)抗震不利的。對(duì)比其他有中系梁的圓柱墩亦有類(lèi)似情況，即中系梁附近可能會(huì)先于橋墩頂?shù)孜恢冒l(fā)生屈服。中系梁的存在會(huì)造成墩身剛度突變，柱彎矩、剪力在此位置都會(huì)發(fā)生突變，中系梁往往尺寸很大但長(zhǎng)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(duì)于多柱墩，在橫向地震作用下，中系梁的存在還會(huì)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(duì)于橋墩中系梁宜盡量少設(shè)或不設(shè)，對(duì)已設(shè)中系梁橋墩，墩身在中系梁附近宜作箍筋加強(qiáng)，系梁兩端也宜做箍筋加強(qiáng)，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(jiàn)有實(shí)心矩形墩、空心矩形墩，這類(lèi)橋墩剛度通常很大，按公路橋梁抗震細(xì)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(zhǎng)度有關(guān)。本文以7號(hào)高墩為例，墩高67.1m，設(shè)計(jì)為空心薄壁墩（6.5m×3.5m）。

利用MIDASCIVIL先作彎矩-曲率分析（見(jiàn)圖8），也可參考文獻(xiàn)［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(shí)，認(rèn)定當(dāng)橋墩墩身任意位置曲率達(dá)到極限曲率的一半時(shí)即到達(dá)設(shè)計(jì)容許曲率，此時(shí)墩頂位移即為容許位移。依此計(jì)算出7號(hào)墩頂橫向容許位移約為1.9m，縱向容許位移會(huì)更大，因?yàn)闃蚨湛v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(jiàn)，由于薄壁墩墩身很高，導(dǎo)致計(jì)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(huì)設(shè)置支座，其他位置一般固結(jié)）卻是無(wú)法適應(yīng)如此大的位移。在橋墩抗震概念設(shè)計(jì)中，按能力保護(hù)原則，一般會(huì)要求橋墩的蓋梁、擋塊、樁基、支座等不應(yīng)先于橋墩墩身破壞，對(duì)擋塊、蓋梁等可以通過(guò)尺寸增大、配筋加強(qiáng)來(lái)提高，但對(duì)本橋的支座要適應(yīng)如此大的位移，支座設(shè)計(jì)將會(huì)十分困難，這亦說(shuō)明支座是高墩橋梁抗震的一個(gè)非常脆弱的環(huán)節(jié)，應(yīng)盡量避免設(shè)置支座。

圖8 橋墩的彎矩-曲率曲線(xiàn)

6 結(jié) 論

（1）通過(guò)對(duì)貴州山區(qū)一典型實(shí)際橋梁橋墩抗震分析，在滿(mǎn)足設(shè)防烈度要求下，各類(lèi)型橋墩抗震性能均表現(xiàn)為可滿(mǎn)足目標(biāo)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(huì)相互影響，但總的趨勢(shì)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(biāo)評(píng)價(jià)，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(xí)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(duì)于抗震而言并無(wú)益處。橋墩墩身系梁的存在會(huì)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(huì)產(chǎn)生更大的水平力，而墩身系梁上下位置一般不會(huì)加強(qiáng)，這導(dǎo)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(huì)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(huì)先于橋墩破壞，如對(duì)支座進(jìn)行能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)時(shí)，支座的設(shè)計(jì)將會(huì)變得很困難。