柱系梁对柱式墩抗震性能的影响研究

李璐杰 覃耀柳 张弋强

摘要：双柱式墩达到一定的高度时会设置柱系梁。文章为研究柱系梁与桥梁下部结构在地震作用下的受力状态的关系，以某3x30m的连续梁桥为依托工程，利用Midas有限元软件分别研究了柱系梁的数量、系梁尺寸对桥墩在设计地震动作用下的各主要关键截面处内力的影响。计算结果表明：柱式墩设置柱系梁能很好地提高墩柱整体受力能力，合理的系梁尺寸可以有效地减少墩底弯矩，发挥系梁在抗震中“第一道防线”的作用。

关键词：柱系梁;柱式墩;抗震性能;反应谱

中图分类号：U442.55 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.027

文章编号：1673-4874（2019）10-0093-03

0引言

随着路网建设的发展，位于地形复杂的山区桥梁越来越多。而山区公路桥梁具有曲线、大纵坡、高墩等特点，通常会选择中小跨径的装配式预应力混凝土小箱梁桥，下构通常采用构造简单、自重轻、节省钢筋和混凝土用量、施工技术成熟的双柱式桥墩。

双柱式墩在罕遇地震作用下通常在墩身产生不同的病害。归纳分类为3种：（1）桥墩墩底所受的弯矩发生弯曲破坏，表现为墩底塑性铰区混凝土保护层剥落;（2）柱系梁梁端先于墩柱屈服破坏;（3）柱系梁节点处柱端发生钢筋屈服破坏。

通过比较可以发现，双柱式墩潜在塑性铰位置如图1所示。合理地设置柱系梁位置及尺寸，可使系梁先于墩柱发生屈服，形成延性和塑性耗能能力良好的接近于“梁铰型”的塑性耗能机构，这符合“多道防线”的抗震概念设计。

1 工程概况

某桥桥宽12m，上构采用3x 30m先简支后连续小箱梁，下构为双柱式桥墩，墩高18m，墩身1.5m，基础采用m法模拟，桩径1.8m。如图2所示。

2 柱系梁设置对墩柱受力的影响

2.1力学模型

双柱式墩的超静定结构简化模型如图3、图4所示，可知在横桥向平面内通过适当地调节柱系梁位置以及柱系梁尺寸来改变柱与系梁间的弯矩分配，可有效减小墩身弯矩，进而实现在橫向作用力下的“多道防线设防”，柱系梁作为第一道防线在横向水平地震作用力中先于墩柱屈服。

2.2 分析模型

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362-2018）第9.6.5条“柱式墩台的柱身间设置柱系梁时，其截面高度和宽度可分别取0.8-1.0倍和0.6-0.8倍的柱直径”和以往设计经验，分别建立以下3个模型：

模型1：桥墩间不设置柱系梁，只保留地系梁。

模型2：桥墩间于0.5H（H指墩高，下同）位置处设置柱系梁，系梁尺寸为1.2m×1.4m。

模型3：桥墩间于0.3H和0.7H处设置柱系梁，系梁尺寸为1.2m×1.4m。

2.3 动力分析

结构的振动周期、振型等反映结构动力特性的重要参数，是评价桥梁动力性能的重要依据。本文对模型1、模型2、模型3等3种桥梁结构进行模态分析，其结果如表1所示。

从3种模型的周期及振型的分析比较得知，有柱系梁的柱式墩相较于无系梁的柱式墩，其自振周期明显减小。这说明柱系梁的存在增强了墩柱的刚度，提高了双柱式墩的整体受力能力。

2.4反应谱分析

假定桥址区特征周期为0.35S，地震加速度为0.15g，场地类别为Ⅱ类。按多振动反应谱法分别得到E1、E2地震作用下的反应谱如图5、图6所示。

将其按照横桥向输入到以上3个模型中，得到各墩身及柱系梁梁端的最大弯矩值。其结果如表2-3所示。

由表2和表3可知，在E1横桥向地震作用下，与无柱系梁的双柱式墩相比，随着柱系梁的增加，墩底弯矩分别减少12.9%、12.0%;墩顶位移分别减少28.5%、37.6%。

由表4、表5可知，在日横桥向地震作用下，与无柱系梁的双柱式墩相比，随着柱系梁的增加，墩底弯矩分别减少13.9%、22.4%;墩顶位移分别减少28.5%、37.7%。

综上可知，双柱式墩增加柱系梁有益于减少横桥向墩底弯矩和墩顶位移。随着柱系梁根数的增加，墩顶位移和墩底弯矩减少得更明显。

3 柱系梁尺寸对墩柱的影响

本文设置了3个不同柱系梁尺寸的模型，研究柱系梁刚度对墩柱的影响。

模型1：按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》9.6.5条的建议，柱系梁尺寸为1.2m×1.4m，于0.5H位置处设置。

模型2：柱系梁尺寸為1.5m×2m，于0.5H位置处设置。

模型3：柱系梁尺寸为0.3m×0.4m，于0.5H位置处设置。

由表6、表7可知，1.2m×1.4m柱系梁的墩柱与0.3m ×0.4m柱系梁相比，墩底弯矩分别减小了8.93%（E1）、9.16%（E2）;与1.5m × 2m的柱系梁相比，其节点处墩柱上下端的弯矩分别减少了15.46%（E1）、17.29%（E2）。

由此分析得出结论：墩柱与盖梁形成的框架结构体系是多次超静定结构，系梁的刚度与墩柱刚度的相对大小会影响到结构内力的分配。刚度过大的系梁会使节点处柱端先于梁端破坏;刚度过小的系梁分配的力矩小，墩柱先于系梁破坏，系梁没有发挥作用。合理的系梁刚度应是系梁分配到的力矩使系梁屈服破坏，同时墩柱未发生破坏。

4 结语

（1）从动力特性分析：在双柱式墩之间设置柱系梁，能增强桥墩的刚度，提高整体受力性能。

（2）根据反映谱结果分析，在双柱式墩设置系梁，有益于减少墩顶位移和墩底弯矩。并且随着柱系梁根数的增加，墩顶位移和墩底弯矩减少得更明显。

（3）合理的柱系梁尺寸在抗震设计中能有效地发挥“第一道防线”的作用。过大的系梁尺寸会使节点处墩柱先于系梁破坏，过小的系梁尺寸发挥的作用不大。