基于地震響應分析下0.2g 地區中小跨徑規則橋梁取消樁頂系梁橋墩安全性分析

趙國華

（甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州）

西部山區地貌、地質復雜，河道狹窄，跨河段山區高速公路一般采用中小跨徑規則橋梁，采用大角度跨越河流，局部段落順河道走向布置。處在河道中的橋梁，百年一遇洪水位及沖刷深度均較大，設置樁頂系梁勢必增加河道內阻水面積、增加橋梁樁基沖刷，對橋梁結構安全及耐久性不利。本文以隴南山區0.2g 地區某高速公路橋梁30 m 跨預應力混凝土小箱梁為背景，針對順河橋梁及大角度跨越橋梁，利用Midas Civil 分別建立河灘型與溝谷型模型，探討取消樁頂系梁對橋墩安全性的影響，并結合工程實際與理論分析，提出河道中取消樁頂系梁后為防止樁基沖刷及增加橫向剛度的措施，以期為類似工程提供參考。

1 項目概況

分別選取隴南山區0.2g 地區某高速公路典型溝谷型與河灘型橋梁為背景，研究雙柱式橋墩取消樁頂系梁對橋墩安全性的影響。所分析橋梁上部結構均采用30 m 跨預應力混凝土小箱梁。溝谷型模型墩高依此為5、10、20、10、5 m，墩徑包含1.5 m、1.6 m 兩類，樁長25 m，樁徑包含1.7、1.8 m，支座根據墩高及位置不同分別選取HDR (Ⅰ)-d420×187-G1.0、LNRd420×128、LNR(H)-d320×118 支座，河灘型模型墩高20 m，墩徑1.6 m，樁長25 m，樁徑1.8 m，支座根據使用位置不同分別選取LNR-d420×128、LNR (H)-d320×118 支座。橋位處均上覆圓礫層，其下為強、中風化泥巖，地震基本烈度為Ⅷ度，特征周期為0.40 s，Ⅱ類場地。

2 有限元模型分析

2.1 幾何模型

通過有限元軟件Midas Civil 分別建立溝谷型與河灘型空間動力計算模型，結合《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020）進行地震響應分析，溝谷型采用一聯4×30 m 模型，分有系梁與中間墩取消樁頂系梁兩種工況，河灘型采用三聯模型考慮相鄰結構和邊界條件對計算跨的影響，分有系梁與各墩均取消樁頂系梁兩種工況[1]。上、下部結構均采用梁單元，支座根據支座型號對應參數采用彈性連接進行模擬，樁土相互作用根據《公路橋涵地基與基礎設計規范》利用m 法計算后采用節點彈性支承模擬，上部結構不考慮預應力次反力對橋墩內力的影響及二期恒載提供的剛度[2]。特征值分析類型采用多重Ritz 向量法，振型組合類型采用CQC。河灘型模型如圖1 所示。

圖1 河灘型模型

2.2 模型本構關系

橋墩、樁基及系梁均采用C35 混凝土，約束混凝土的本構采用Mander 本構，受力鋼筋采用HRB400鋼筋，采用雙折線模型。

3 E1 地震作用分析

E1 地震作用下的橋梁結構應處彈性狀態，地震作用效應和永久作用效應組合后，按公路橋涵設計規范有關偏心受壓構件的規定進行橋墩強度的驗算，E1地震作用下墩柱主要控制截面驗算如表1 所示，對比有無墩柱間橫系梁的計算結果可知:

表1 E1 地震作用控制截面驗算表

（1） 是否設置樁頂系梁對橋墩E1 地震下效應及抗力影響不明顯。對本工程所取截面及配筋下偏心受壓承載力而言，取消樁頂系梁后效應最大變化幅度為0.5%，且系梁取消前后墩柱強度均有較大富裕度。

（2） 受柱間系梁影響，取消樁頂系梁后，靠近墩頂截面作用效應較取消前略有增大，靠近墩底截面作用效應略有降低，取消樁頂系梁對墩頂截面受力偏不利。

4 E2 地震作用分析

E2 地震作用下，應驗算橋墩墩頂的位移，對高寬比小于2.5 的矮墩，可不驗算橋墩變形，順橋向和橫橋向地震作用效應和永久作用效應組合后，應按現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018）相關規定驗算橋墩抗彎和抗剪強度，截面抗彎能力可采用材料強度標準值計算[3]。

4.1 E2 地震作用彈性驗算

由表2 中數據可以看出：

表2 E2 地震作用彈性狀態驗算表

（1） 無論是否取消地系梁，E2 地震作用下均不滿足彈性狀態橋墩強度驗算要求，橋墩已進入塑性，需進行彈塑性分析驗算橋墩墩頂位移及塑性鉸抗剪。

（2） 取消地系梁后，地震響應作用效應及抗力均降低，降低幅度基本一致，但抗力降低幅度較效應稍小，取消樁底系梁對其抗震影響較小。

4.2 E2 地震作用彈塑性驗算

對雙柱墩、排架墩，其順橋向的容許位移可按《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020）7.4.4 相關公式計算，塑性鉸區域的最大容許轉角應根據極限破壞狀態的曲率能力，按下式計算，極限破壞狀態的曲率能力u 應通過考慮最不利軸力組合的P -M -曲線確定。

其中，u-極限破壞狀態的曲率能力（1/cm）；

Kds-延性安全系數，可取2.0。

橫橋向容許位移可在蓋梁處施加水平力F 后進行非線性靜力分析（Pushover 分析），當墩柱的任一塑性鉸達到其最大容許轉角或塑性鉸區控制截面達到最大容許曲率時，蓋梁處橫向水平位移即為容許位移。截面的等效屈服曲率和等效屈服彎矩可通過把實際的軸力-彎矩-曲率曲線等效為理想彈塑性軸力-彎矩-曲率曲線來求得，等效方法可根據兩種曲線陰影面積相等求得（圖2），計算中應考慮最不利軸力組合。采用反應譜法計算墩頂位移時，延性構件有效截面抗彎剛度按下式計算，對圓形和矩形截面，也可根據《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ 166-2011）附錄A 按照軸壓比及縱筋截面配筋率查表得出[4]。

圖2 最不利組合下橋墩彎矩圖

橫橋向容許位移采用非線性靜力分析（Pushover）通過屈服軸力迭代得出，借助XTRACT 截面分析軟件及Pushover 模型，柱間系梁較墩柱更早進入屈服狀態，故橫橋向位移驗算時忽略柱間系梁對約束位移的有利影響。分析結果見表3。

表3 E2 地震作用彈塑性狀態墩頂位移驗算

由表中數據可以看出：

（1） 樁頂系梁設置影響橫橋向橋墩頂容許位移，對順橋向容許位移基本無貢獻。取消樁頂系梁后橫橋向蓋梁頂位移及容許位移均相應增大，取消系梁可增大墩頂容許位移。

（2） 取消地系梁橋墩縱、橫向蓋梁頂位移驗算均滿足規范要求。

（3） 河灘型模型因全橋取消樁頂系梁，導致無系梁工況較有系梁工況縱橫向位移有較大變化，溝谷型橋梁因只有中間墩取消，故對縱橫向位移影響較小。

4.3 墩柱塑性鉸區域斜截面抗剪驗算

E2 地震作用下橋墩抗剪按能力保護構件進行設計，墩柱塑性鉸區域沿順橋向和橫橋向的斜截面抗剪強度按《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/T 2231-01-2020）7.3.4計算，見表4。

表4 E2 地震作用橋墩塑性鉸區抗剪強度驗算

塑性鉸區抗剪強度均滿足規范要求。

4.4 E2 地震作用下各工況作用效應對比

選取河灘型模型分別對取消樁頂系梁前后地震作用效應和永久作用效應最不利組合下橋墩所受彎矩、剪力進行對比分析如圖2 所示。取消樁頂系梁后，最大彎矩、剪力均相應增大，最大彎矩出現在墩柱樁基過渡段，最大剪力出現在樁基上。對所研究橋墩而言，取消樁頂系梁后彎矩增大約9.6%，剪力減少約1.2%，樁頂系梁對降低柱底彎矩效果顯著，對抗剪不利。樁基剪力及彎矩均比取消前增加，故實際設計過程中，在確保橋墩安全條件下，應加強樁基頂部局部范圍內樁基剛度及抗剪能力。

5 增大樁徑對地震響應影響分析

根據前述分析，本項目構造尺寸及配筋率下雙柱墩橋梁取消樁頂系梁后橋梁墩柱抗震性能滿足規范要求，但有一定程度影響。取消樁頂系梁后為改善墩柱抗震性能，擬適當增大樁徑，并于局部沖刷線以上樁基處增設鍍鋅鋼護筒，通過計算驗證其實用性。鋼護筒一方面可增加樁基剛度，又可保護樁基免受水流直接沖刷。本文擬將原樁基直徑增大10 cm，鋼護筒壁厚14 mm，護筒直徑較樁基大30 cm，中間填塞緩沖橡膠等材料，計算模型按較原樁基直徑等效增大20 cm 進行受力分析，對比見表5。

表5 E2 地震作用彈塑性狀態無系梁工況增加樁徑前后墩頂位移對比

經核算，增加樁基直徑后樁頂位移略有減少，且對容許位移有影響，故小范圍調整樁基直徑對改善墩柱抗震性能效果不佳，取消地系梁后可僅增設鍍鋅鋼護筒保護樁基。

6 結論與建議

（1） 針對0.2g 地區中小跨徑規則橋梁通過地震效應分析得出，對滿足抗震需求尺寸及配筋率條件下橋梁下部結構位于百年一遇洪水位及沖刷深度較大地區時，可通過取消設置于樁頂的系梁來減少阻水，且通過樁頂增加鍍鋅鋼護筒等措施，提高橋梁耐久性及結構安全。

（2） 取消樁頂系梁后墩底及樁頂一定范圍內彎矩增大，剪力減小，系梁對降低柱底彎矩效果顯著，對抗剪不利。實際設計過程中，對無樁底系梁橋墩樁基，宜比正常設計適當增加縱向配筋率，加強局部范圍內橋墩樁基抗彎剛度。

（3） 溝谷型橋梁中間墩與河灘型橋梁墩高相同條件下，僅取消中間墩樁頂系梁的溝谷型抗震安全系數更大，對河灘型橋梁而言，宜結合現場條件及結構計算，盡量減少一聯中無樁頂系梁橋墩個數。