中小跨徑橋梁柱式橋墩系梁設計的一些探討

白偉

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030）

西部山區高速公路橋梁通常采用中小跨徑雙柱式或多柱式橋墩結構形式，受地形、地貌限制，橋墩墩柱普遍較高，對于墩高較高的柱式橋墩基本都采用了橫系梁設置，以加強結構的橫向整體性；西部山區橋梁大多都處在地震高烈度區，系梁應具有合理的抗震性能設計，才能起到保護墩身結構安全的“保險絲”單元作用。目前關于系梁的論文研究，大多集中在雙肢薄壁高墩系梁與常規跨徑柱式橋墩系梁的計算模擬上，大多從系梁設置位置、系梁設置數量、系梁設置剛度等方面模擬研究了某單個橋梁系梁對橋墩抗震性能的影響，并選擇最佳設置方案[1-2]，很少從規范的角度出發依托整個山區項目，結合實際地形地貌來研究系梁的合理設置，并且很少研究系梁的抗震配筋設計。

1 研究背景

對于中小跨徑橋梁，柱式橋墩系梁的設置是必不可少的一個環節，但在設計過程中存在隨意性，系梁設計不合理現象時有發生，對于系梁設置的不規范現象，歸納總結主要有以下3 個方面。

第一，系梁設置過多，猶如“天梯”，其必要性存疑，視角效果差，如圖1 所示。目前也有工程實例，墩高也就30 m 左右，而柱系梁設置則達到4 道或者更多。過多的設置柱系梁不知是否有必要，而且過多的設置柱系梁在視覺上效果較差，不美觀。產生以上柱系梁設置現象的原因，筆者認為是老規范JTG/T B02—01—2008《公路橋梁抗震設計細則》[3]（以下簡稱“08細則”）規定的不明確，該規范第11.4.7 條規定“在8度區，高度大于7 m 的柱式橋墩和排架樁墩應設置橫系梁”，在設計過程中，有人認為該規定僅適用于8度及8 度以上的地震區，且僅對樁頂系梁進行了規定，不適用于柱間系梁，遠不適應現在高度達30～40 m甚至更高的柱式高墩的設計需要，也有人認為應沿墩身高度方向按7 m 間距設置一道柱系梁，正因為規范規定的不明確及設計人員對規范規定的理解不一致而導致上述系梁設置問題的出現。

圖1 系梁設置道數過多，視角效果差

第二，各墩系梁參差不齊，景觀差，如圖2 所示。目前大多工程中都存在左右幅橋梁柱系梁位置的不協調，造成左右幅橋墩系梁參差不齊，景觀效果差，筆者認為造成該問題的主要原因也是規范規定的欠缺，不論是老規范“08 細則”還是JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》[4]（以下簡稱“07 樁規”），都未對系梁設置位置做規定，設計上大多都按照設計原則來設計柱系梁道數及位置，未考慮左右幅相鄰墩系梁位置的協調性。

圖2 系梁參差不齊，景觀差

第三，系梁在地震過程中的破壞狀況嚴重，如圖3所示。在地震過程中，系梁作為耗能構件，地震過程中應先使系梁耗能屈服，以保證橋墩的完整或者不至于倒塌，但在以往地震中，往往會出現系梁墩柱節點處系梁破壞墩柱也破壞，或者系梁未破壞而墩柱出現破壞，筆者認為這主要是系梁的剛度尺寸選擇及配筋設計不合理導致的，JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[5]（以下簡稱“04 公規”）及“07 樁規”對系梁的尺寸選擇只給了一個范圍，對系梁縱筋、箍筋設置只給了一個最小配筋設計，而設計上都是套用設計原則和以往設計經驗，使用系梁尺寸及配筋圖，沒有一個定性的分析方法，故造就了隨意的系梁尺寸選擇及鋼筋配置，對橋墩抗震反而不利，應在結合規范尺寸的前提下，進行系梁鋼筋設計的“強柱弱梁、強剪弱彎”定性分析驗算。

圖3 系梁地震破壞狀況

2 相關問題的探討

系梁的設置不僅可以增強橋梁結構整體性，還可以提高橋梁結構抗震性能，合理設計系梁能夠使系梁在地震動作用下起到“保險絲”單元的作用， 保護墩身結構的安全，而不合理的系梁尺寸選擇及鋼筋配置反而對橋墩抗震不利[6]，根據現行規范的規定及實例工程中的設計情況，筆者就以系梁道數設置、系梁位置設置、系梁剛度設置、系梁配筋設計4 個方面談談自己的一些理解與看法。

2.1 系梁道數設置探討

目前實例工程中，當墩高大于35 m 時一般會采用空心薄壁墩或者其他形式的橋墩，對于墩高H≤35 m時，一般選擇柱式橋墩，柱間系梁的選擇一般為：當墩高H＜10 m 時，不設柱間系梁；當墩高10 m≤H＜20 m 時，只設置一道柱間系梁；當墩高20 m≤H＜30 m時，設置兩道柱間系梁；當墩高H≥30 m 時，設置三道柱間系梁。不同設計院設計原則會有差別，但跟以上柱系梁設計原則大同小異，這種設置方式也和JTG/T 2231—01—2020《公路橋梁抗震設計規范》[7]（以下簡稱“20 公路抗規”）第11.3.6 條規定保持一致，新規范“20 公路抗規”相比舊規范“08 細則”增加了系梁道數的設置，故筆者建議系梁設置道數保持和新規范一致。

2.2 系梁設置位置探討

目前相關規范并沒有規定柱系梁位置的設置，當只需要設置一道柱系梁時，隨著系梁設置高度的降低，自振頻率先增大后減小，地震位移先減小后增大，當系梁設置在墩柱中心時，自振頻率最大，地震位移最小，系梁的地震彎矩最大，可以在地震時首先進入塑性狀態，以消耗地震能量達到抗震效果，故設置一道系梁時可以將橋墩系梁設置在墩柱中心[8-9]；設置兩道柱系梁，且柱系梁沿墩柱高度方向比較均勻地布置時，對鋼筋混凝土曲線梁橋的整體地震反應最為有利[10]，這也和以往設計經驗相吻合（設計經驗中一般也按均分墩高設置）；當設置三道柱系梁時，結構受力和設置兩道系梁時規律相似，系梁也可按墩高均分設置。

綜合2.1、2.2 的討論，筆者認為系梁的道數及位置設計在結合計算分析及設計原則的基礎上，還應全方位考慮左右幅相鄰橋墩系梁位置設置的協調性，綜合選擇系梁道數及位置，保證橋梁運營期的美觀性。

2.3 系梁設置剛度探討

在橫向地震作用下，雙主墩彎矩受力簡圖如圖4所示。由圖4 可知，無系梁時，雙主墩墩頂、墩底彎矩最大，反彎點基本在墩中心；設置系梁時，不管是設置一道系梁還是兩道系梁，墩身的彎矩分配都發生顯著變化，且在系梁和墩柱相接節點處，系梁所承受的彎矩始終為節點上、下墩身彎矩之和，即M1+M2=M3，系梁承受彎矩大于節點處墩身彎矩，同時地震時在雙柱式墩產生的豎向力在無系梁時由蓋梁剪力承擔，而在有系梁時該豎向力由蓋梁剪力+系梁剪力共同承擔，這就使墩頂、墩底彎矩有所減小，由上述分析可知，在地震作用下系梁先屈服耗能以保證橋墩的結構安全是可行的，考慮到實際地震動下結構失效路徑的復雜性，系梁的抗彎剛度比墩身的抗彎剛度小比較好。

圖4 橫橋向地震下雙柱墩彎矩圖

文獻[11]的研究結果表明，當系梁的寬度取0.6D、0.75D，高度取0.7D、0.85D（D為墩柱直徑）時，對結構抗震最有利；文獻[12]對設置橫系梁的雙柱式橋墩地震易損性進行了分析，分析得出當隨著系梁與墩柱的剛度比逐漸增大時，墩柱的破壞概率逐漸減小，當剛度比大于0.54 時，墩柱破壞概率大幅降低，再增大系梁尺寸意義不大，故選取剛度比在0.54 附近較好；筆者對JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[13]（以下簡稱“18 公規”）給的系梁選取尺寸進行了剛度對比分析，當系梁寬度、高度系數分別取規范規定范圍的下限值時，即寬度系數取0.6、高度系數取0.8，系梁抗彎剛度I1=bh3/12 與墩柱的抗彎剛度I2=πd4/64 比值為0.52，依據以上分析，筆者建議系梁的剛度尺寸可以選取規范規定的下限值，即系梁寬度取0.6D，高度取0.8D。

2.4 系梁配筋設計探討

目前現行規范只針對構造的系梁配筋規定了一個最小配筋設計，處于Ⅵ度區橋墩設置系梁只滿足了構造鋼筋的配置，但對處在高震區的橋墩，若按照規范規定的配筋，筆者認為不太妥當，處在高震區的系梁應按照“強柱弱梁，強剪弱彎”的設計理念進行設計；系梁相對于橋墩來說，其抗彎承載力應比墩柱抗彎承載力小，這才能保證系梁先屈服耗能；系梁應按抗剪能力保護構件設計，抗彎按塑性理念設計，保證系梁“強剪弱彎”。

針對系梁與墩柱“強柱弱梁”延性設計、系梁“強剪弱彎”抗彎延性設計、抗剪能力保護設計，筆者提出以下計算公式以方便定性分析系梁、墩柱配筋設計。對于系梁與墩柱“強柱弱梁”延性設計，參照“20 公路抗規”，按能力保護方法計算雙柱和多柱墩蓋梁彎矩設計值的思想，系梁與墩柱節點處墩柱的彎矩設計值引入極限彎矩超強系數φ0進行調整：

式（1）中：∑Mс為考慮地震組合的系梁上、下柱端的彎矩設計值之和；φ0為極限彎矩超強系數，取1.2；Mu為按截面實配鋼筋，采用材料強度標準值計算出的系梁端部極限彎矩值。

式（1）反映了通過對系梁端部彎矩進行調整，以調整后的彎矩值作為系梁上下墩柱的彎矩設計值，以達到系梁與墩柱“強柱弱梁”的延性設計，式（1）在另一方面還可以反映在設置系梁進行抗震設計時，與系梁相鄰的上下墩柱按能力保護構件設計（在系梁破壞以前），這也和地震作用下保證系梁先屈服耗能相適應。

系梁抗剪按能力保護構件設計，參照蓋梁能力保護剪力設計值計算公式，并考慮系梁重力荷載下的剪力設計值，公式可修正如下：

式（2）中：Vс0為系梁剪力設計值；為按截面實配鋼筋，采用材料強度標準值計算出的系梁左端極限彎矩值；為按截面實配鋼筋，采用材料強度標準值計算出的系梁右端極限彎矩值；Ln為系梁兩端塑性鉸中心的距離，可取系梁凈長度；VGb為重力荷載下系梁的剪力設計值。

由于橋涵設計相關規范對系梁抗剪驗算未做相關規定，筆者建議參照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[14]（以下簡稱“10 混規”），引用“10 混規”在地震作用下框架梁的斜截面抗剪驗算式，考慮到地震破壞傳力路徑的復雜性，系梁在地震剪切破壞時材料強度可能未達到設計強度，引入了抗剪強度折減系數Φ對公式做了簡單修正，用修正后的公式對系梁的抗剪箍筋進行一個定性的計算分析，偏于安全。

式（3）中：Φ為抗剪強度折減系數，取0.85；αсv為斜截面混凝土受剪承載力系數，取0.7；ft為混凝土抗拉強度設計值，按“10 混規”取值；b為系梁寬度；h0為系梁截面有效高度；fyv為箍筋抗剪強度設計值；Asv為配置在同一系梁截面內箍筋各肢的全部截面面積；s為箍筋沿系梁長度方向間距。

系梁的設置可以有效減小墩柱的彎矩、系梁的先屈服耗能，在整個地震動過程中，延緩了墩柱塑性屈服的時間，為墩柱盡可能地保持完整提供了條件。以上公式說明：在系梁破壞前，系梁抗彎是塑性設計，抗剪是能力保護設計，橋墩墩柱抗彎、抗剪是能力保護構件設計；當系梁屈服破壞后，可認為此時無系梁，橋墩墩柱抗彎應按延性設計，抗剪按能力保護構件設計，故對墩柱的設計應取系梁破壞前設計和系梁破壞后設計的較大值。

3 結論與建議

筆者從規范及實例工程角度出發，對橋墩系梁的設置位置、剛度、道數及配筋進行了探討，并給出自己的理解與建議，總結如下。

對于系梁道數的設置，結合以往項目設計經驗及“20 公路抗規”的新規定，筆者建議按照規范的規定選擇系梁道數。

從橋墩抗震結構受力層面來說，橋墩系梁位置的選擇可以根據系梁設置道數均分橋墩高度H設置，對于單幅橋或墩高相差不大的雙幅橋是適應的，對于處在橫向陡坡上左右橋墩高差相差較大的橋墩系梁，為了保證左右橋墩系梁位置的協調性，可以根據受力做進一步調整，將左右系梁設置在一個水平面上，以增加橫向美觀性。

對于系梁剛度尺寸的選擇，考慮到實際地震動下結構失效路徑的復雜性及相關論文的研究成果，建議系梁的剛度尺寸可以選取“18 公規”規定的下限值。

對于橋墩系梁的抗震配筋，筆者從橋墩系梁的作用及破壞機理出發，給出系梁抗彎延性設計，抗剪能力保護設計的系梁剪力設計值確定及驗算公式，引入了極限彎矩超強系數φ0，給出了橋墩與系梁“強柱弱梁”延性設計時橋墩彎矩設計值的調整公式；引入以上公式可以定性計算分析系梁設計的合理性。