柱系梁對柱式墩抗震性能的影響研究

李璐杰 覃耀柳 張弋強

摘要：雙柱式墩達到一定的高度時會設置柱系梁。文章為研究柱系梁與橋梁下部結構在地震作用下的受力狀態的關系，以某3x30m的連續梁橋為依托工程，利用Midas有限元軟件分別研究了柱系梁的數量、系梁尺寸對橋墩在設計地震動作用下的各主要關鍵截面處內力的影響。計算結果表明：柱式墩設置柱系梁能很好地提高墩柱整體受力能力，合理的系梁尺寸可以有效地減少墩底彎矩，發揮系梁在抗震中“第一道防線”的作用。

關鍵詞：柱系梁;柱式墩;抗震性能;反應譜

中圖分類號：U442.55 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.027

文章編號：1673-4874（2019）10-0093-03

0引言

隨著路網建設的發展，位于地形復雜的山區橋梁越來越多。而山區公路橋梁具有曲線、大縱坡、高墩等特點，通常會選擇中小跨徑的裝配式預應力混凝土小箱梁橋，下構通常采用構造簡單、自重輕、節省鋼筋和混凝土用量、施工技術成熟的雙柱式橋墩。

雙柱式墩在罕遇地震作用下通常在墩身產生不同的病害。歸納分類為3種：（1）橋墩墩底所受的彎矩發生彎曲破壞，表現為墩底塑性鉸區混凝土保護層剝落;（2）柱系梁梁端先于墩柱屈服破壞;（3）柱系梁節點處柱端發生鋼筋屈服破壞。

通過比較可以發現，雙柱式墩潛在塑性鉸位置如圖1所示。合理地設置柱系梁位置及尺寸，可使系梁先于墩柱發生屈服，形成延性和塑性耗能能力良好的接近于“梁鉸型”的塑性耗能機構，這符合“多道防線”的抗震概念設計。

1 工程概況

某橋橋寬12m，上構采用3x 30m先簡支后連續小箱梁，下構為雙柱式橋墩，墩高18m，墩身1.5m，基礎采用m法模擬，樁徑1.8m。如圖2所示。

2 柱系梁設置對墩柱受力的影響

2.1力學模型

雙柱式墩的超靜定結構簡化模型如圖3、圖4所示，可知在橫橋向平面內通過適當地調節柱系梁位置以及柱系梁尺寸來改變柱與系梁間的彎矩分配，可有效減小墩身彎矩，進而實現在橫向作用力下的“多道防線設防”，柱系梁作為第一道防線在橫向水平地震作用力中先于墩柱屈服。

2.2 分析模型

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362-2018）第9.6.5條“柱式墩臺的柱身間設置柱系梁時，其截面高度和寬度可分別取0.8-1.0倍和0.6-0.8倍的柱直徑”和以往設計經驗，分別建立以下3個模型：

模型1：橋墩間不設置柱系梁，只保留地系梁。

模型2：橋墩間于0.5H（H指墩高，下同）位置處設置柱系梁，系梁尺寸為1.2m×1.4m。

模型3：橋墩間于0.3H和0.7H處設置柱系梁，系梁尺寸為1.2m×1.4m。

2.3 動力分析

結構的振動周期、振型等反映結構動力特性的重要參數，是評價橋梁動力性能的重要依據。本文對模型1、模型2、模型3等3種橋梁結構進行模態分析，其結果如表1所示。

從3種模型的周期及振型的分析比較得知，有柱系梁的柱式墩相較于無系梁的柱式墩，其自振周期明顯減小。這說明柱系梁的存在增強了墩柱的剛度，提高了雙柱式墩的整體受力能力。

2.4反應譜分析

假定橋址區特征周期為0.35S，地震加速度為0.15g，場地類別為Ⅱ類。按多振動反應譜法分別得到E1、E2地震作用下的反應譜如圖5、圖6所示。

將其按照橫橋向輸入到以上3個模型中，得到各墩身及柱系梁梁端的最大彎矩值。其結果如表2-3所示。

由表2和表3可知，在E1橫橋向地震作用下，與無柱系梁的雙柱式墩相比，隨著柱系梁的增加，墩底彎矩分別減少12.9%、12.0%;墩頂位移分別減少28.5%、37.6%。

由表4、表5可知，在日橫橋向地震作用下，與無柱系梁的雙柱式墩相比，隨著柱系梁的增加，墩底彎矩分別減少13.9%、22.4%;墩頂位移分別減少28.5%、37.7%。

綜上可知，雙柱式墩增加柱系梁有益于減少橫橋向墩底彎矩和墩頂位移。隨著柱系梁根數的增加，墩頂位移和墩底彎矩減少得更明顯。

3 柱系梁尺寸對墩柱的影響

本文設置了3個不同柱系梁尺寸的模型，研究柱系梁剛度對墩柱的影響。

模型1：按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》9.6.5條的建議，柱系梁尺寸為1.2m×1.4m，于0.5H位置處設置。

模型2：柱系梁尺寸為1.5m×2m，于0.5H位置處設置。

模型3：柱系梁尺寸為0.3m×0.4m，于0.5H位置處設置。

由表6、表7可知，1.2m×1.4m柱系梁的墩柱與0.3m ×0.4m柱系梁相比，墩底彎矩分別減小了8.93%（E1）、9.16%（E2）;與1.5m × 2m的柱系梁相比，其節點處墩柱上下端的彎矩分別減少了15.46%（E1）、17.29%（E2）。

由此分析得出結論：墩柱與蓋梁形成的框架結構體系是多次超靜定結構，系梁的剛度與墩柱剛度的相對大小會影響到結構內力的分配。剛度過大的系梁會使節點處柱端先于梁端破壞;剛度過小的系梁分配的力矩小，墩柱先于系梁破壞，系梁沒有發揮作用。合理的系梁剛度應是系梁分配到的力矩使系梁屈服破壞，同時墩柱未發生破壞。

4 結語

（1）從動力特性分析：在雙柱式墩之間設置柱系梁，能增強橋墩的剛度，提高整體受力性能。

（2）根據反映譜結果分析，在雙柱式墩設置系梁，有益于減少墩頂位移和墩底彎矩。并且隨著柱系梁根數的增加，墩頂位移和墩底彎矩減少得更明顯。

（3）合理的柱系梁尺寸在抗震設計中能有效地發揮“第一道防線”的作用。過大的系梁尺寸會使節點處墩柱先于系梁破壞，過小的系梁尺寸發揮的作用不大。