双柱式桥墩柱间系梁对其抗震性能的影响

孙 恒

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

双柱式框架墩一般由墩柱、盖梁、系梁等组成，由于构造简单、施工便捷、结构稳定、外观轻盈美观，因而在公路桥梁建设中得到广泛应用。在双柱式桥墩墩高略高时，为保证桥墩的稳定性，根据其高度设置相应的柱间系梁。由于双柱式桥墩、柱间系梁及桥墩盖梁形成的门式框架是多次超静定结构，柱间系梁刚度与墩柱刚度相对值以及柱间系梁的位置直接影响桥墩的横向内力分配，系梁刚度过小导致系梁分配的内力过小，可能墩柱破坏而横系梁却没有损害，起不到调整双柱式框架墩内力的作用；系梁刚度过大导致系梁分配的内力过大，可能墩身弯矩在横系梁附近非常大，结果墩身承载力不足而发生弯曲破坏，使修复工作比较困难。系梁的设置位置同样会影响墩柱的内力分配，进而影响到墩柱与系梁的破坏顺序，因此，合理的柱间系梁设计能有效调整墩柱受力，保护墩身结构的安全。

柱间系梁的设置增加了桥墩稳定性的同时也使桥梁地震激励下的结构响应发生变化，但柱间系梁设置对双柱式桥墩结构抗震性能的影响规律以及如何合理地设置柱间系梁，目前研究不足，现阶段规范规定也并不明确。04版混凝土和预应力混凝土桥规中仅对系梁的尺寸进行限制:宽0.8～1.0倍墩径，高1.0～1.2倍墩径，配筋按照构造布置；08版抗震细则中对系梁位置进行规定，7 m一道。这些比较宽泛的规定导致现阶段多数设计中对系梁位置、截面尺寸和配筋一般按照经验进行设计。目前国内也有一些学者对柱间系梁设置位置和截面尺寸对结构地震响应的影响进行了研究，例如兰峰等对一座双柱式高墩连续梁桥进行了模态分析和反应谱分析，认为对于墩高超过30 m的双柱墩，分别在距墩底0.3H和0.8H处设置与墩身刚度比为0.3～0.6的柱间系梁，结构抗震性能最好[1]，但对于10～20 m墩高的桥墩柱间系梁设置情况，文中并没有涉及。本文以某3×20 m预应力混凝土装配式箱梁桥作为研究对象，研究柱间系梁对双柱式桥墩抗震性能的影响，以其为同类桥梁抗震设计提供借鉴和参考。

1 工程概况

某高速公路一座预应力混凝土装配式箱梁桥宽12.75 m，梁高1.6 m，小箱梁间距3.15 m，共4片，桥墩处每片小箱梁设置两个固定板式橡胶支座，桥台处每片小箱梁设置两个滑动板式橡胶支座，两个桥墩高度均为18 m，墩径1.6 m，桩径1.8 m，桩长L为40 m，设置一道柱间系梁和一道桩间系梁。

2 柱间系梁对双柱式桥墩抗震性能的影响分析

采用有限元计算软件Midas Civil进行建模分析，采用梁单元模拟主梁、桥墩、盖梁和柱间系梁，上部结构中计入防撞护栏、铺装等二期荷载，二期荷载只计入其质量，不考虑刚度，采用弹性连接模拟固定及滑动板式橡胶支座，墩底采用六向固结支座[2]，不考虑桩基及桩侧土对结构地震响应的影响。如图1所示。

图1 桥梁结构离散图

由于系梁的设置主要对桥墩横桥向地震激励作用下的结构抗震性能影响较大，因而本文主要讨论桥墩在横桥向地震激励下结构的响应。由于设置两道及以上系梁时，主梁的内力增长较大，从抗震角度考虑，应当尽量少设置系梁[3]，因此本次模型计算主要考虑以下两种工况，不设置柱间系梁、居中设置一道柱间系梁，如图2所示。

图2 两种工况下桥墩一般构造图

一般设计中墩柱和系梁配筋在长度方向没有变化，要使得墩柱后于系梁破坏，则应当使桥墩各控制截面弯矩大小尽量相近，通过控制墩身与系梁的配筋控制墩身与系梁的承载力大小，进而实现地震作用下系梁梁端先于桥墩发生屈服破坏。当系梁两端形成塑性铰后，一方面降低结构频率，增大结构周期，减小横桥向地震作用，耗散地震能量；另一方面此时桥墩各控制截面弯矩大小与弹性阶段相比增加不多，不至于引起墩身立即破坏，从而延缓了桥墩的损伤破坏过程，保护了墩身结构的安全。

本文涉及桥梁为规则桥梁，根据《公路桥梁抗震设计细则》[4]和桥址区的地震特征周期等参数得到场地加速度反应谱，并将其按照横桥向输入到按照两个工况建立的模型中进行反应谱分析，得到各墩身控制截面以及横系梁梁端的最大弯矩值，其结果如表1。

表1 墩身以及柱间系梁端部最大弯矩值 kN·m

从表1可以看出，有柱间系梁时横桥向结构自振频率0.830 Hz与无柱间系梁时横桥向结构自振频率0.735 Hz相比增大了11.4%，即居中设置一道柱间系梁与不设置柱间系梁相比横桥向结构刚度增大，周期会变短，相应的结构横桥向地震作用力增大，设置柱间系梁能明显影响结构横桥向动力特性。有柱间系梁与无柱间系梁桥墩受力情况从工况2与工况1具体对比可以看出，墩底弯矩与墩柱柱底弯矩减小23.5%，墩柱柱顶弯矩减小48.7%，可见设置柱间系梁能有效减小墩柱弯矩。

为研究系梁设置位置对双柱式桥墩横向抗震性能的影响，改变工况2中柱间系梁的位置，将系梁位置分别设置于1/4墩高、1/3墩高、2/3墩高和3/4墩高处，采用相同的反应谱分别计算，得到各墩身控制截面以及横系梁梁端的最大弯矩值，其结果如表2。

表2 设置不同位置柱间系梁时墩身以及柱间系梁端部最大弯矩值 kN·m

从表1及表2中可以看出，设置一道柱间系梁时，只改变柱间系梁的设置位置对结构自振特性及地震响应的影响不大，但对于墩柱的内力重分布有明显影响，墩底弯矩随着系梁高度增加而增大，墩顶弯矩随着系梁高度增加而减小，当系梁高度设置在1/3墩高附近时桥墩墩底弯矩、墩顶弯矩以及系梁与墩相接处最大地震作用弯矩数值相近，此时只需通过截面配筋控制墩身与系梁的承载力，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铰，降低结构频率，增大结构周期，减小横桥向地震作用，耗散地震能量，延缓桥墩的损伤破坏过程，保护了墩身结构的安全。

3 结论

a）柱间系梁的设置不仅可以提高双柱墩的稳定性，对桥墩抗震性能也有较大影响。

b）当设置一道柱间系梁时，只改变柱间系梁的设置位置对结构自振特性及地震响应的影响不大，但对于墩柱的内力重分布有明显影响。

c）对于与本文类似的桥梁，系梁高度设置在1/3墩高附近时，桥墩墩底弯矩、墩顶弯矩以及系梁与墩相接处最大地震作用弯矩数值相近，桥墩结构的受力性能得到明显改善，并可以通过控制墩柱与系梁配筋实现系梁端部截面先于墩柱截面屈服，在系梁端部形成塑性铰，消耗地震动能量，延缓桥墩的损伤破坏过程，保护墩身结构的安全。