高烈度地震山區(qū)常規(guī)簡(jiǎn)支梁橋的橋墩型式選擇

對(duì)四川山區(qū)中小跨徑簡(jiǎn)支T梁橋常用的2種跨徑、3種不同類(lèi)型墩柱的抗震性能分別進(jìn)行了對(duì)比分析，并結(jié)合工程造價(jià)因素綜合選取最合適的墩型，使結(jié)構(gòu)能更好地滿(mǎn)足耐久、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。

地震； 橋梁抗震； 墩型選擇

U443.22 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者簡(jiǎn)介］朱麗瑤（1994—），女，碩士，工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

近年來(lái)，四川地震多發(fā)，對(duì)道路、橋梁的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了巨大的威脅。川西山區(qū)的地震基本烈度普遍大于VII度，橋梁抗震設(shè)計(jì)的重要性更為突出。在山區(qū)公路橋梁中，中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋量大面廣，是一條道路上廣泛分布的震害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，且對(duì)整條道路的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)影響較大。因此，在山區(qū)公路設(shè)計(jì)中，綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能和經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)選型，具有較大的實(shí)際意義。

山區(qū)公路中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的上部結(jié)構(gòu)型式以預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁（25 m、30 m或40 m跨徑）和預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支小箱梁（25 m或30 m跨徑）為主，下部結(jié)構(gòu)型式主要以圓柱式雙柱墩（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙柱圓墩”）、雙柱式矩形空心薄壁墩（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“雙柱方墩”）和獨(dú)柱式矩形空心薄壁墩（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“獨(dú)柱方墩”）為主。山區(qū)公路中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)選型主要考慮橋梁高度、平曲線半徑、運(yùn)輸條件等因素，而下部結(jié)構(gòu)選型則主要考慮地形條件、經(jīng)濟(jì)性和抗震性能。確定上部結(jié)構(gòu)跨徑和型式之后，墩型選擇是山區(qū)中小跨徑橋梁抗震設(shè)計(jì)中十分重要的一步，合理的墩型使橋梁結(jié)構(gòu)既滿(mǎn)足抗震性能的需求，又滿(mǎn)足美觀、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的要求。

本文分別以山區(qū)公路中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋中最常見(jiàn)的30 m跨徑和40 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁為例，通過(guò)有限元模型抗震分析，對(duì)采用雙柱圓墩、雙柱方墩和獨(dú)柱方墩的橋梁的抗震性能作對(duì)比分析，并結(jié)合工程實(shí)際綜合選取最合適的墩型。

1 分析方法與模型

1.1 主要結(jié)構(gòu)尺寸

本文采用有限元分析軟件Midas Civil進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震受力分析，建立了3組空間梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ??？紤]到分析結(jié)論的普適性，采用相同的墩高、地質(zhì)條件和地震荷載，只改變橋墩結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行對(duì)比分析。

第一組模型為4×30 m跨徑簡(jiǎn)支橋面連續(xù)T梁橋，四跨一聯(lián)，橋面寬度12.6 m。5個(gè)橋墩高度均為40 m。通過(guò)改變橋梁下部結(jié)構(gòu)型式，分別建立了雙柱圓墩計(jì)算模型、雙柱方墩計(jì)算模型和獨(dú)柱方墩計(jì)算模型，進(jìn)行對(duì)比分析。第二組模型在第一組模型的基礎(chǔ)上，墩高調(diào)整為60 m，橋梁分聯(lián)、橋面寬度、下部結(jié)構(gòu)基本型式及截面尺寸均與第一組模型一致。第三組模型在第二組模型的基礎(chǔ)上，調(diào)整上部結(jié)構(gòu)為4×40 m跨徑簡(jiǎn)支橋面連續(xù)T梁，并對(duì)應(yīng)調(diào)整下部結(jié)構(gòu)尺寸，橋梁分聯(lián)、橋面寬度及下部結(jié)構(gòu)基本型式均與第一組模型一致。

圖1～圖3分別為3種墩型的立面圖，墩柱主要截面尺寸和配筋信息詳見(jiàn)表1、表2。墩柱、蓋梁均采用C40混凝土。

本文僅對(duì)墩柱進(jìn)行分析，不考慮樁土共同作用，直接在墩底設(shè)置固結(jié)邊界條件。2～4號(hào)墩墩頂設(shè)置板式橡膠支座，采用彈性連接模擬（每片T梁每端設(shè)置1塊，30 m跨徑T梁采用GJZ350×450×84，40 m跨徑T梁采用GJZ400×450×99），1號(hào)墩和5號(hào)墩墩頂設(shè)置四氟滑板橡膠支座，采用彈性連接模擬，釋放剪切剛度。

圖4～圖6分別為3種墩型的有限元分析模型。

第二組和第三組有限元計(jì)算模型與第一組計(jì)算模型類(lèi)似，限于篇幅，不再單獨(dú)給出。

地震荷載采用JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》［1］中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，地震動(dòng)峰值加速度0.2g，場(chǎng)地特征周期0.4 s，場(chǎng)地類(lèi)別為II類(lèi)，橋梁抗震設(shè)防類(lèi)別為B類(lèi)，橋梁類(lèi)型為高速公路上的大橋。采用E2地震進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如圖7所示。

2 第一組模型分析結(jié)果

2.1 橋梁動(dòng)力特性

采用3種墩型的橋梁自振周期計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從結(jié)果中可以看到，雙柱圓墩模型的自振周期最長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)剛度最小，雙柱方墩模型和獨(dú)柱方墩模型的自振周期相差不大，結(jié)構(gòu)剛度大致相當(dāng)。

2.2 橋梁抗震性能

在E2地震+永久作用組合下，采用3種墩型的橋梁的橋墩抗彎計(jì)算結(jié)果如表4和表5所示。表中墩底彎矩和墩底軸力為E2地震+永久作用組合下墩底截面同時(shí)發(fā)生的最不利彎矩和軸力組合值。彎矩抗力是指在上述軸力組合值作用下，按截面材料（C40鋼筋混凝土）、尺寸和實(shí)配鋼筋，采用軸力-彎矩-曲率分析，并根據(jù)JTG/T B02-01-2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》中的原則計(jì)算得到截面等效屈服彎矩。

從上述計(jì)算計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算模型所采用的3種墩柱均能基本滿(mǎn)足抗震需求，說(shuō)明擬定墩柱尺寸和配筋基本合適。在墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下，橋墩順橋向的抗震能力需求比差異不大，排序?yàn)椋弘p柱圓墩＞雙柱方墩≈獨(dú)柱方墩；橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋邯?dú)柱方墩＞雙柱圓墩＞雙柱方墩；3種墩型的混凝土工程量分別為：雙柱圓墩251 m3，雙柱方墩250 m3，獨(dú)柱方墩248 m3，3種墩型相差不大，而主筋配筋率基本一致，因此3種墩柱工程數(shù)量差別不大，但獨(dú)柱方墩可在本次計(jì)算采用的配筋方式的基礎(chǔ)上適當(dāng)減少橫橋向主筋，在材料用量上較其余2種墩型有一定優(yōu)勢(shì)。但從施工便捷性方面看，雙柱圓墩優(yōu)于其余2種方墩墩型，對(duì)山區(qū)橫橋向起伏較大的地形條件的適應(yīng)性也更佳。

綜上所述，對(duì)于墩高40 m左右的山區(qū)30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋，可根據(jù)實(shí)際施工條件擇優(yōu)選擇獨(dú)柱方墩或雙柱圓墩方案，使之更符合經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。

3 第二組及第三組模型分析結(jié)果

3.1 橋梁動(dòng)力特性

第二組模型為4×30 m簡(jiǎn)支T梁，墩高60 m。第三組模型為4×40 m簡(jiǎn)支T梁，墩高60 m。2組模型的橋梁自振周期計(jì)算結(jié)果如表6、表7所示。

通過(guò)對(duì)比第一組模型和第二組模型計(jì)算結(jié)果可知，對(duì)于4×30 m簡(jiǎn)支T梁橋，墩高加大，結(jié)構(gòu)變?nèi)幔?個(gè)方向的自振周期均相應(yīng)延長(zhǎng)，且雙柱圓墩方案的自振周期對(duì)墩高最敏感。

由表7結(jié)果可知，對(duì)于4×40 m簡(jiǎn)支T梁橋，采用雙柱圓墩的橋梁自振周期依然是采用3種墩型的橋梁中最長(zhǎng)的，結(jié)構(gòu)整體剛度最小，而采用雙柱方墩和獨(dú)柱方墩的橋梁的自振周期相差不大，結(jié)構(gòu)剛度大致相當(dāng)。

3.2 橋梁抗震性能

在E2地震+永久作用組合下，2組對(duì)比模型采用3種墩型的橋梁的橋墩抗彎計(jì)算結(jié)果如表8、表9、表10、表11所示。

從第二組模型計(jì)算結(jié)果中可以看到，對(duì)于墩高60 m的30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁，墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下，橋墩順橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋弘p柱圓墩＞雙柱方墩≈獨(dú)柱方墩；橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋邯?dú)柱方墩＞雙柱圓墩＞雙柱方墩。綜合比較可知，獨(dú)柱方墩和雙柱圓墩抗震性能各有優(yōu)勢(shì)，總體優(yōu)于雙柱方墩。

從第三組模型計(jì)算結(jié)果中可以看到，對(duì)于墩高60 m的40 m跨徑簡(jiǎn)支T梁，墩高相同、截面主筋配筋率相同的情況下，橋墩順橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋弘p柱圓墩＞獨(dú)柱方墩＞雙柱方墩；橋墩橫橋向的抗震能力需求比排序?yàn)椋邯?dú)柱方墩＞雙柱圓墩＞雙柱方墩。綜合比較可知，獨(dú)柱方墩抗震性能較優(yōu)。

從第三組模型計(jì)算結(jié)果中還可以看到，在計(jì)算模型采用的截面尺寸和配筋方式下，3種墩型均存在2個(gè)方向上的抗震能力需求比不平衡的情況，需要優(yōu)化截面尺寸或鋼筋配置。對(duì)于矩形截面橋墩來(lái)說(shuō)，通過(guò)局部調(diào)整截面尺寸或鋼筋配置來(lái)優(yōu)化橫橋向和順橋向2個(gè)方向的抗震承載能力是非常方便的，而雙柱圓墩的縱向鋼筋是沿周長(zhǎng)均勻分布的，不方便通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)單獨(dú)調(diào)整某個(gè)方向上的抗震承載力，若需要提高某個(gè)方向的抗震承載力，則需要同步增加另一方向上的截面尺寸或配筋，材料用量增加較多，工程造價(jià)也隨之增加較大。

從施工便捷性方面分析，如前所述，雙柱圓墩優(yōu)于2種方墩墩型，而獨(dú)柱方墩由于截面尺寸較大、立柱數(shù)量更少，又要明顯優(yōu)于雙柱方墩，且在墩高較大時(shí)優(yōu)勢(shì)更明顯。

綜上所述，對(duì)于墩高60 m左右的山區(qū)40 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋，選擇獨(dú)柱方墩方案，更符合經(jīng)濟(jì)、美觀、實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

通過(guò)有限元對(duì)比分析，在綜合考慮抗震安全性、材料用量以及施工便捷性等因素后，對(duì)于墩高40～60 m左右的山區(qū)30 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋，可根據(jù)實(shí)際情況擇優(yōu)選擇獨(dú)柱方墩或雙柱圓墩方案；對(duì)于墩高60 m左右的山區(qū)40 m跨徑簡(jiǎn)支T梁橋，宜選擇獨(dú)柱方墩方案。

參考文獻(xiàn)

［1］ 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則： JTG/TB02-01-2008［S］.北京：人民交通出版社，2008.