独柱墩桥梁的抗震性能及加固措施研究

伍伟聪

中铁十八局集团第五工程有限公司 北京 100070

受限于工程建设条件及设计理念，我国很多老旧桥梁均采用独柱墩设计。一方面，独柱墩桥梁具有结构设计简单、工程成本较低等优势；另一方面，其稳定性较其他结构设计方式低，容易产生单边倾覆风险[1-2]。

针对上述问题，需要对独柱墩桥梁进行合理加固以防止桥梁损伤、破坏。叶嘉豪[3]基于某独柱墩桥梁工程，深入分析了极端荷载作用下该独柱墩桥梁的倾覆可能性，并提出了独柱墩桥梁的抗倾覆验算结果，进一步提出了相应的抗倾覆加固方式及施工过程中的关键技术。马玉荣等[4]基于数值分析，模拟了4种不同工况下独柱墩桥梁的稳定性，并求解了结构自重与二期恒载作用下以及最不利荷载作用下的桥墩各支座反力。李帅[5]基于室内振动试验，深入分析了地震作用对独柱墩桥梁横向稳定性的影响以及地震作用下桥梁抗倾覆稳定性系数的计算方法，并基于研究结果提出桥梁的抗倾覆稳定系数随着汽车荷载的增加而减小的重要结论。向敏等[6]以某城市独柱墩匝道桥工程为研究对象，利用有限元软件对桥梁稳定性展开了深入分析，并指出用碳纤维增强复合材料对桥墩进行加固，可有效改善桥墩抗震性能的结论。

上述研究多集中在独柱墩桥梁的横向抗倾覆稳定性研究上[7]，而对地震荷载作用下桥梁的纵向稳定性研究较少。本文通过室内设计并制作独柱墩桥梁模型，展开了不同加速度下独柱墩桥梁的振动试验，深入探讨了地震荷载作用下独柱墩桥梁的动力响应特征及纵向变形规律。

1 试验设计

1.1 桥梁模型设计与制备

由于实验室振动台设备的最大可执行振动的振动台尺寸范围为10 m×8 m，考虑到桥梁模型安装及锚固问题，因此初步设计桥梁的最大跨度为8 m。根据结构动力学原理，按照1∶3的比例制作了单跨独柱墩简支梁桥模型。桥梁结构立面布置如图1所示，比例模型相似参数如表1所示。支座A采用固定墩支座锚固方式，支座B采用纵向滑动支座锚固方式。经过强度设计，墩柱配筋的主要参数为：直径500 mm，纵筋16φ16 mm（计算配筋率1.65%），箍筋φ8 mm（计算配筋率0.72%）。

1.2 振动试验方案

图1 桥梁模型立面

表1 模型与原型的相似参数

本次试验选用E1 Centro型地震波输入振动设备，且对振动台面设置了0.06g、0.12g、0.18g、0.21g、0.24g及0.255g共计6个不同加速度下的振动试验，最大振动加速度为0.255g。分别在主梁及振动台面不同地点设置了3个加速度传感器，在2个墩柱及梁上设置了6组位移与应变传感器。典型EI Centro的振动波时程曲线如图2所示。由图2可见，振动波随着时间不断衰减，最大加速度值逐渐减小直至趋于0。

2 试验结果分析

2.1 振动波形分析

根据加速度传感器检测结果，绘制出6个不同加速度工况下独柱墩桥梁桥面及振动台的加速度时程曲线。受限于文章篇幅，本文仅给出最大加速度（0.255g）工况下桥面纵向与振动台加速度时程曲线，如图3所示。由图3可知，在振动波的作用下，振动台及桥面的振动加速度出现持续的振荡趋势，但随着振动荷载的不断进行，最大加速度幅值不断降低，呈逐渐衰减趋势。这是因为输入的振动波能量不断被桥梁结构消耗，导致振动加速度峰值越来越小。

对于振动台面与桥面来说，由于振动台面与试验设备之间固定较好，因此其振动加速度与输入加速度较为接近；而对于独柱墩桥梁来说，由于一端（柱墩A）与振动台固定，而另一端采用滑动支座（柱墩B），因此独柱墩桥梁在振动过程中产生的振动幅度与速度更大，其加速度始终大于振动台加速度，且最大加速度达到0.76g。

2.2 位移分析

本次试验研究共设置了6个不同加速度工况。在不同振动试验条件下，柱墩A、柱墩B及桥面中点处的最大位移如表2所示。由表2可知，对于独柱墩桥梁，不同测点之间的最大位移存在较大的差别，且符合柱墩A＞桥面＞柱墩B的变化规律。分析认为，这是由于柱墩A是固定柱墩，而柱墩B是活动柱墩，对振动台输入的能量有很好的消除能力，因此其在持续的振动荷载作用下最终产生的不可逆变形最小。而桥面中点位于柱墩A与柱墩B之间，因此其最大位移也介于柱墩A的最大位移与柱墩B的最大位移之间。

表2 不同加速度下独柱墩桥梁不同测点的最大位移 单位：mm

随着加速度的逐渐增大，柱墩A、柱墩B及桥面的最大位移逐渐增大，最大加速度下各不同测点的最大位移分别是最小加速度工况下的7.78、3.36及3.50倍。由此可见，振动台输入加速度越大，则独柱墩桥梁的位移越大，这表明在高等级地震作用下桥梁更容易发生破坏。

2.3 桥墩应变

由前述分析可知，受地震波影响，柱墩A的变形明显大于柱墩B，因此要探讨在振动荷载作用下独柱墩桥梁整体的稳定性，最重要的是验证柱墩A的稳定性与变形。图4为不同加速度工况下柱墩A不同截面高度的最大应变。由图4可见，随着加速度的逐渐增大，各不同截面的应变逐渐增大，这与前述研究结果一致。

图4 不同工况下柱墩A不同截面处应变

进一步观察到，对于独柱墩A而言，其各个不同截面的应变量不同，且均呈现出先增大后减小的变化趋势。分析认为，由于柱墩A底座与振动台之间是固定连接的，接触面刚度较大，因此其纵向应变为0。随着截面高度越来越大，底部的约束效应逐渐降低，柱墩的应变也越来越大，最大应变点位于离地面20 cm高度处。但由于桥面对节点的变形有一定的限制作用，因此，30 cm截面高度处的应变较20 cm处要小。

综上所述，在地震作用下，独柱墩桥梁在桥面与活动支座处产生的位移以及变形较小，而在固定柱墩处发生较大的变形甚至产生破坏。因此，建议对柱墩处，尤其是固定柱墩进行有效加固，比如采用加筋、提高混凝土强度等级及增加箍筋数目等手段。

3 结语

本文基于室内试验设计并制作了1∶3独柱墩桥梁模型，并对该桥梁模型展开了振动试验。通过输入E1 Centro型地震波，模拟研究了6个不同加速度工况下独柱墩桥梁的动力响应与变形特征，并得出以下结论：

1）受桥面结构及锚固情况影响，独柱墩桥梁的加速度大于振动台面加速度，且加速度最大值随时间不断衰减；随着输入加速度的增大，桥梁各测点的最大位移逐渐升高，且最大位移符合柱墩A＞桥面＞柱墩B的变化规律。

2）独柱墩桥梁在固定支座柱墩A处产生的变形最大，且其截面应变随高度递增呈现出先增大、后减小的变化趋势，在截面高度为20 cm处产生的应变最大。此外，各截面应变均随加速度增大而不断增大。