橫系梁對雙柱式高墩橋梁抗震性能的影響

陳水生，劉 ，桂水榮

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

橫系梁對雙柱式高墩橋梁抗震性能的影響

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

采用ETABS建立有限元模型，對銅鼓高速上的石坪高架二橋進(jìn)行抗震設(shè)計,石坪高架二橋是一座跨徑為40 m雙柱式高墩連續(xù)梁橋，分別研究了橫系梁的數(shù)量、不同位置和不同剛度，對橋墩在地震荷載作用下各個主要截面處內(nèi)力以及位移的影響。計算結(jié)果表明:地震作用下的雙柱式高墩橋梁下部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分配與橫系梁的道數(shù)有著非常緊密的關(guān)系,并且可以通過合理的設(shè)計橫系梁來增加橋梁的橫向剛度,進(jìn)而使得下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力得到合理的分配,提高橋梁的抗震性能。在墩身的0.4，0.5，0.7倍高度處各布置一道與墩身剛度比為0.5～0.75之間的橫系梁,可以減小地震對高墩橋梁的破壞。

雙柱式高墩；橫系梁；反應(yīng)譜分析；時程分析

橋墩在橋梁結(jié)構(gòu)中的作用是將上部的荷載傳遞到地基基礎(chǔ)，是非常重要的受力構(gòu)件。由于雙柱式橋墩達(dá)到一定的高度時，為了符合施工階段的穩(wěn)定性的要求，一般會在兩根墩柱之間布置橫系梁，布置橫系梁以后，分配到下部結(jié)構(gòu)的力會發(fā)生變化[1-3]。

在地震作用下，彎曲破壞、彎剪破壞、剪切破壞是鋼筋混凝土橋墩經(jīng)常出現(xiàn)的破壞形式。由于上部主梁一般具有較高的抗震性能和承載能力，而抗震設(shè)計主要是面向下部結(jié)構(gòu)中的橋墩，因此設(shè)計和構(gòu)造方面的缺陷、施工質(zhì)量的優(yōu)劣等因素都將影響到橋墩的抗震性能。

蘭峰[4]基于反應(yīng)譜方法得出橫系梁布置在墩身0.3，0.8倍高度下可以有效的提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。譚慧[5]以一座墩高為30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支梁橋為實例，分析了橫系梁對橋梁抗震的影響，分析表明當(dāng)橋梁受到順橋向的地震作用下，橫系梁對橋梁抗震的影響是非常小的，橫系梁主要影響橋梁的橫向受力。孔得璨[6]指出橋梁在地震作用下，橋墩橫向受到的影響最大，因此大多數(shù)情況下橋墩的破壞都是橫橋向的強度來控制。盛偉兵[7-8]通過對薄壁墩與雙柱式墩進(jìn)行研究對比，得出在40 m以內(nèi)橋墩設(shè)計中是可以采用雙柱式墩的。大量的研究的都是30 m左右的雙柱墩，而對40 m以上的雙柱墩研究的較少，隨著越來越多的高墩橋梁的出現(xiàn)，橫系梁對高墩橋梁的抗震影響就有必要進(jìn)一步研究。本文通過對橫系梁的道數(shù)、位置、剛度的變化，來進(jìn)一步說明橫系梁對雙柱式高墩橋梁抗震性能的影響。

1 動力計算模型

本文以石坪二橋為背景，石坪二橋的下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩，雙柱式墩的直徑為2.0 m圓形，橫系梁的尺寸為 1.4 m×1.6 m。墩柱高度從 1＃～4＃墩依次為19.1，40.6，41.1 m和 36.6 m，1＃墩在墩柱 1/2處設(shè)置橫系梁,2＃、3＃、4＃墩分別在墩柱 1/4，2/4，3/4處各布置一道橫系梁。模型都采用梁單元建立，墩底都設(shè)置為固結(jié)，1＃、4＃墩采用彈性連接與T梁連接，模擬板式橡膠支座；2＃、3＃墩采用彈性連接中的剛性連接于 T梁固結(jié)。有限元模型如圖1所示。

柱式墩臺橫系梁截面高度和寬度依次取0.8～1.0倍和0.6～0.8倍的墩柱直徑或長邊邊長[9]。因為此雙柱式高墩橋梁的圓形墩柱直徑為2 m，所以取它的橫系梁的高為1.6 m,寬為1.4 m。

模型 1：由于1＃墩相對比較矮，所以1＃墩只布置一道橫系梁，2#、3#、4#墩加兩道橫系梁。1＃墩在墩柱的1/2處設(shè)置系梁，其余3個相對比較高墩柱的橫系梁應(yīng)該布置在墩身的0.3，0.8倍高度時能夠使結(jié)構(gòu)受力最合理。

模型 2：由于2＃、3＃橋墩較高,考慮加設(shè)3道橫系梁，1＃墩布置一道，4＃墩布置兩道，三道橫系梁分別布置在墩身0.3，0.5，0.7倍高度的位置,截面仍采用1.6 m×1.4 m矩形截面，如圖1所示。

2 自振特性分析

橋梁結(jié)構(gòu)的振動周期、振型等是反應(yīng)結(jié)構(gòu)動力特性的模態(tài)參數(shù),是評估橋梁動力性能的重要依據(jù),不同模型的周期比較如圖2所示。基于對模型1、模型2進(jìn)行模態(tài)分析,我們可以知道這兩種橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性上的差異,表1所示的為模型1和模型2前十階的模態(tài)。

圖1 有限元模型Fig.1 Finite element model

圖2 結(jié)構(gòu)前十階模態(tài)周期Fig.2 Modal period of the first ten orders of structure

表1 結(jié)構(gòu)前十階模態(tài)周期Tab.1 Modal period of the first ten orders of structure

基于對模型1和模型2的周期及振型的比較分析,發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)的縱向動力特性是不受橫系梁的影響的，但對橋梁橫向受力性能影響較大。與模型1相比，模型2的第1階振動周期減小了7%，這是因為模型2中的橫系梁道數(shù)多于模型1，所以模型2的橫向剛度變大，從而使得雙柱式高墩橋梁的抗震性能得到了提升。

3 橫系梁道數(shù)的選擇

3.1 反應(yīng)譜分析

根據(jù)公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則，關(guān)于高速公路、一級公路上的中橋、小橋，橋梁抗震設(shè)防種類為B類；江西地區(qū)，地震動峰值加速度為0.05 g，區(qū)劃圖上的特征周期為0.40 s。考慮橋梁工程的場地類別為Ⅲ類場地。水平方向的設(shè)計加速度反應(yīng)譜S由公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范 5.2.1可知，反應(yīng)譜擬合的有關(guān)參數(shù)如表2所示，其中Tg為特征周期，Ci為抗震重要性系數(shù)，Cs為場地系數(shù)，Cd為阻尼調(diào)整系數(shù)，A為水平向設(shè)計基本地震動加速度峰值。根據(jù)表2中的各個參數(shù)可以得到E1、E2反應(yīng)譜，將這兩個反應(yīng)譜分別輸入到模型1和模型2中，從而得到墩底和橫系梁端的橫向最大彎矩值以及墩頂橫向的最大位移，結(jié)果如表3。

表2 反應(yīng)譜擬合相關(guān)參數(shù)表[10]Tab.2 Response spectrum fitting[10]

表3 E1、E2地震下的彎矩和位移Tab.3 Moment and displacement under E1,E2 earthquake

從表3可以看出，模型一的墩底彎矩、橫系梁彎矩以及墩頂?shù)臋M向位移都比模型二大，所以加設(shè)三道橫系梁可以有效的提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能。

3.2 時程分析

采用3組地震波來進(jìn)行計算，取計算結(jié)果的最大值進(jìn)行驗算；或者采用7組時程波應(yīng)用于模型時，可以采用7組結(jié)果的平均值。同時，對時程分析結(jié)果與反應(yīng)譜分析計算的結(jié)果進(jìn)行對比，并且時程分析法計算的結(jié)果不應(yīng)小于反應(yīng)譜計算結(jié)果的80%；合理的選取輸入的地震加速度時程曲線是時程分析結(jié)論合理性的根本，選取的波應(yīng)該滿足地震動三要素，即頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時間。選取的地震波分組和場地類別應(yīng)和實際的結(jié)構(gòu)場地類別盡可能相同，即二者特征周期Tg盡量相等；加速度有效峰值應(yīng)滿足有關(guān)計算。

選取 3 條地震波，它們分別為 El Centro Site，270 Deg，Taft Lincoln School，69 Deg、天津波，對實錄地震波進(jìn)行峰值調(diào)整，一般峰值調(diào)整是對加速度峰值進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)場地設(shè)計峰值PGA計算加速度調(diào)整系數(shù)。在這3條波的作用下得到的墩頂位移如表4所示。

表4 時程分析下墩頂最大位移Tab.4 Maximum displacement of pier under time-history analysis cm

根據(jù)上表所得到的墩頂最大位移大于E1地震作用，所以是符合 《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（JTGTB_02_01_2008）中6.5.3條規(guī)定，并且可以知道采用Taft地震波較為合理，同時對該地震波進(jìn)行修正，使其達(dá)到有效峰值加速度。由于模型二的墩頂位移小于模型一，所以模型二的抗震性能明顯好于模型一。

4 橫系梁位置選擇

由前面的分析可以知道此高墩橋梁設(shè)置三道橫系梁可以很好的提高橋梁的抗震性能。但是要發(fā)揮出三道橫系梁最大的作用是和其所在橋墩所處的位置是有著非常大的關(guān)系的。所以下面針對橫系梁在不同位置進(jìn)行了一系列的時程分析。時程分析所用的地震波為修正后的Taft波。最后將各個墩的墩底最大彎矩和橫系梁端的最大彎矩以及墩頂?shù)淖畲笪灰七M(jìn)行比較，從而得到地震過程中各個關(guān)鍵截面的內(nèi)力及位移的最大值。

隨著橫系梁在承受地震作用的過程中逐漸的進(jìn)入塑性,一部分地震動能量在橫系梁進(jìn)入塑性的這個過程中所消耗,使之成為一個耗能構(gòu)件,對高墩橋梁的延性提高和增強橋梁整體抗震性能是非常有利的。所以加設(shè)三道橫系梁可以延長結(jié)構(gòu)自振周期,消耗地震動能量輸入。從表5中可以看出當(dāng)橫系梁布置成模型10時對高墩橋梁整體抗震性能是有很大的提升的,所以當(dāng)三道橫系梁依次布置于墩身0.4，0.5和0.7倍高度時對全橋結(jié)構(gòu)提升抗震性能最為有利。

表5 不同位置橫系梁的時程分析結(jié)果Tab.5 Time-history analysis results of transverse beam at different positions

5 橫系梁剛度的選擇

由于內(nèi)力的分配與剛度有著很大的關(guān)系，剛度大的構(gòu)件，所分配到的內(nèi)力相應(yīng)的會大于剛度較小的構(gòu)件。所以，如果橫系梁的剛度相對于橋墩太小，可能會導(dǎo)致橋墩分配到的內(nèi)力過大，從而導(dǎo)致橋墩先于橫系梁破壞，在這種情況下，橫系梁沒有發(fā)揮其應(yīng)有的作用；但是如果橫系梁的剛度相對于墩身剛度過大，橫系梁端處分配到的內(nèi)力會過大，會導(dǎo)致橫系梁和墩柱連接節(jié)點處出現(xiàn)過大的內(nèi)力而導(dǎo)致此節(jié)點處的墩身先破壞，修復(fù)工作非常的艱難。所以合理的選擇橫系梁的剛度，可以在一般地震作用下使之控制在彈性范圍內(nèi)，對下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行有效的分配，減少橋墩墩身的彎矩，使得地震對橋梁結(jié)構(gòu)的影響減小。

通過改變截面的尺寸，間接的改變截面的剛度，從而得到各個關(guān)鍵截面的最大內(nèi)力以及位移，如表6所示。

表6 不同橫系梁尺寸下的時程分析結(jié)果Tab.6 Time-history analysis results of different transverse beam sizes

通過計算可得，當(dāng)橫系梁截面高度為1.6～1.8 m，寬度為1.2～1.4 m時,下部結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配是比較合理的。所以，當(dāng)橫系梁截面的剛度與墩身剛度比為0.5～0.75之間時是非常合理的。

6 結(jié)論

1）從動力特性分析結(jié)果可知,可以通過增加橫系梁的道數(shù)來提高橋梁的橫向剛度,從而提高高墩橋梁的抗震性能。隨著橫系梁增加至一定的數(shù)量，墩頂?shù)奈灰啤⒍盏椎膹澗厥侵饾u遞減的。

2）通過對雙柱式高墩橋梁的時程分析可知，對于墩高超過40 m的，為了提高橋梁的抗震性能可以在橋墩處架設(shè)三道橫系梁,橫系梁布置在墩身0.4，0.5和0.7倍的高度處是在比較合理的。

3）當(dāng)橫系梁剛度與墩身剛度之比為0.5～0.75時,橫系梁截面高度為1.6～1.8 m，寬度為1.2～1.4 m時，可以有效地提高雙柱式高墩橋梁的抗震性能。

[1]王慧東.橋梁墩臺與基礎(chǔ)工程[M].北京：人民交通出版社，2001：120-124.

[2]范立礎(chǔ).橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2001：13-15.

[3]李國豪.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，1992：265-272.

[4]蘭峰，王克海.中小跨徑雙柱式高墩橋梁橫系梁對抗震性能的影響[J].公路交通科技，2011，28（5）：92-97.

[5]譚慧.雙柱式橋墩橫系梁設(shè)置對抗震性能的影響[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2013：30-33.

[6]孔得璨.連續(xù)梁橋高墩選型及抗震分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011：51-55.

[7]盛偉兵.高速公路橋高墩結(jié)構(gòu)形式分析研究[D].南昌：華東交通大學(xué)，2013：78-79.

[8]陳水生，盛偉兵.基于Midas-civil圓形雙柱式墩結(jié)構(gòu)承載能力影響因素分析[J].公路，2013，33（3）：94-98.

[9]中華人民共和國交通部.JTG D62-2012[S].北京：人民交通出版社，2012.

[10]中華人民共和國交通部.JTG/T B02-01-2008[S].北京：人民交通出版社，2008.

Effect of Transverse Beam on the Seismic Performance of High Pier Bridge with Double Column

Chen Shuisheng，Liu Jun，Gui Shuirong
（School of Civil Engineering and Architecture，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

Shiping viaduct bridge is a double column pier bridge with the span of 40 m.This paper，by way of ETABS，establishes the finite element model of the seismic design for the shiping viaduct bridge on the Tonggu expressway.It studies the effects of the number，position and stiffness of transverse beams on internal force and displacement of the main section of each pier under seismic loading.The calculation results show that the internal force distribution for the bottom structure of high pier bridge with double column under earthquake has a close relationship with the number of transverse beams.Through the reasonable design of transverse beams，the stiffness of the bridge can be increased to achieve rational distribution of internal force of the bottom structure so as to improve the seismic performance of the bridge.It finds that the layout of transverse beams with pier stiffness ratio 0.5-0.75 at positions of 0.4，0.5，0.7 times of the pier height can reduce seismic damage of high pier bridges.

double column pier；transverse beam；response spectrum analysis；time-history analysis

U441+3

A

（責(zé)任編輯 王建華）

1005-0523（2017）04-0001-06

2017－03－03

國家自然科學(xué)基金（50128013,51468018）

陳水生（1968—），男，教授，博士，主要研究方向為橋梁結(jié)構(gòu)振動與控制。