雙柱式橋墩柱間系梁對其抗震性能的影響

孫 恒

（山西省交通科學研究院，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，由于構造簡單、施工便捷、結構穩定、外觀輕盈美觀，因而在公路橋梁建設中得到廣泛應用。在雙柱式橋墩墩高略高時，為保證橋墩的穩定性，根據其高度設置相應的柱間系梁。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構，柱間系梁剛度與墩柱剛度相對值以及柱間系梁的位置直接影響橋墩的橫向內力分配，系梁剛度過小導致系梁分配的內力過小，可能墩柱破壞而橫系梁卻沒有損害，起不到調整雙柱式框架墩內力的作用；系梁剛度過大導致系梁分配的內力過大，可能墩身彎矩在橫系梁附近非常大，結果墩身承載力不足而發生彎曲破壞，使修復工作比較困難。系梁的設置位置同樣會影響墩柱的內力分配，進而影響到墩柱與系梁的破壞順序，因此，合理的柱間系梁設計能有效調整墩柱受力，保護墩身結構的安全。

柱間系梁的設置增加了橋墩穩定性的同時也使橋梁地震激勵下的結構響應發生變化，但柱間系梁設置對雙柱式橋墩結構抗震性能的影響規律以及如何合理地設置柱間系梁，目前研究不足，現階段規范規定也并不明確。04版混凝土和預應力混凝土橋規中僅對系梁的尺寸進行限制:寬0.8～1.0倍墩徑，高1.0～1.2倍墩徑，配筋按照構造布置；08版抗震細則中對系梁位置進行規定，7 m一道。這些比較寬泛的規定導致現階段多數設計中對系梁位置、截面尺寸和配筋一般按照經驗進行設計。目前國內也有一些學者對柱間系梁設置位置和截面尺寸對結構地震響應的影響進行了研究，例如蘭峰等對一座雙柱式高墩連續梁橋進行了模態分析和反應譜分析，認為對于墩高超過30 m的雙柱墩，分別在距墩底0.3H和0.8H處設置與墩身剛度比為0.3～0.6的柱間系梁，結構抗震性能最好[1]，但對于10～20 m墩高的橋墩柱間系梁設置情況，文中并沒有涉及。本文以某3×20 m預應力混凝土裝配式箱梁橋作為研究對象，研究柱間系梁對雙柱式橋墩抗震性能的影響，以其為同類橋梁抗震設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

某高速公路一座預應力混凝土裝配式箱梁橋寬12.75 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置兩個固定板式橡膠支座，橋臺處每片小箱梁設置兩個滑動板式橡膠支座，兩個橋墩高度均為18 m，墩徑1.6 m，樁徑1.8 m，樁長L為40 m，設置一道柱間系梁和一道樁間系梁。

2 柱間系梁對雙柱式橋墩抗震性能的影響分析

采用有限元計算軟件Midas Civil進行建模分析，采用梁單元模擬主梁、橋墩、蓋梁和柱間系梁，上部結構中計入防撞護欄、鋪裝等二期荷載，二期荷載只計入其質量，不考慮剛度，采用彈性連接模擬固定及滑動板式橡膠支座，墩底采用六向固結支座[2]，不考慮樁基及樁側土對結構地震響應的影響。如圖1所示。

圖1 橋梁結構離散圖

由于系梁的設置主要對橋墩橫橋向地震激勵作用下的結構抗震性能影響較大，因而本文主要討論橋墩在橫橋向地震激勵下結構的響應。由于設置兩道及以上系梁時，主梁的內力增長較大，從抗震角度考慮，應當盡量少設置系梁[3]，因此本次模型計算主要考慮以下兩種工況，不設置柱間系梁、居中設置一道柱間系梁，如圖2所示。

圖2 兩種工況下橋墩一般構造圖

一般設計中墩柱和系梁配筋在長度方向沒有變化，要使得墩柱后于系梁破壞，則應當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，進而實現地震作用下系梁梁端先于橋墩發生屈服破壞。當系梁兩端形成塑性鉸后，一方面降低結構頻率，增大結構周期，減小橫橋向地震作用，耗散地震能量；另一方面此時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，保護了墩身結構的安全。

本文涉及橋梁為規則橋梁，根據《公路橋梁抗震設計細則》[4]和橋址區的地震特征周期等參數得到場地加速度反應譜，并將其按照橫橋向輸入到按照兩個工況建立的模型中進行反應譜分析，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，有柱間系梁時橫橋向結構自振頻率0.830 Hz與無柱間系梁時橫橋向結構自振頻率0.735 Hz相比增大了11.4%，即居中設置一道柱間系梁與不設置柱間系梁相比橫橋向結構剛度增大，周期會變短，相應的結構橫橋向地震作用力增大，設置柱間系梁能明顯影響結構橫橋向動力特性。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%，可見設置柱間系梁能有效減小墩柱彎矩。

為研究系梁設置位置對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，采用相同的反應譜分別計算，得到各墩身控制截面以及橫系梁梁端的最大彎矩值，其結果如表2。

表2 設置不同位置柱間系梁時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，設置一道柱間系梁時，只改變柱間系梁的設置位置對結構自振特性及地震響應的影響不大，但對于墩柱的內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，當系梁高度設置在1/3墩高附近時橋墩墩底彎矩、墩頂彎矩以及系梁與墩相接處最大地震作用彎矩數值相近，此時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，降低結構頻率，增大結構周期，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，保護了墩身結構的安全。

3 結論

a）柱間系梁的設置不僅可以提高雙柱墩的穩定性，對橋墩抗震性能也有較大影響。

b）當設置一道柱間系梁時，只改變柱間系梁的設置位置對結構自振特性及地震響應的影響不大，但對于墩柱的內力重分布有明顯影響。

c）對于與本文類似的橋梁，系梁高度設置在1/3墩高附近時，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數值相近，橋墩結構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現系梁端部截面先于墩柱截面屈服，在系梁端部形成塑性鉸，消耗地震動能量，延緩橋墩的損傷破壞過程，保護墩身結構的安全。