山区桥梁高墩抗震性能分析及评价

阳 斌，吴徐华

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014）

0 前 言

我国西部典型的山地特征使得桥梁桥墩往往很高，目前对高墩桥梁进行地震反应分析主要以规范公式法［1］和静力推倒分析法（Pushvoer分析法）［2］为主。对于桥墩抗震性能的评价，在JTG／TB02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》并没有给出量化的计算方法，只是提出了“两水准设防、两阶段设计”的抗震设计理念。实际发生破坏性地震时，虽结构未倒塌，但因损伤过大，造成的经济损失往往超出建设单位的承受能力。针对以上问题，本文尝试引入量化指标对桥墩抗震性能进行评估，并研究分析了山区桥梁中普遍存在的柱式墩、薄壁墩，指出了他们在高烈度地震下可能会出现非设计的预期结果，从构造措施上给出了优化抗震建议。

1 典型山区高墩桥梁

项目是贵州山区某高速上一座非常典型的高墩桥梁，上构为40m 预制T梁，单向2车道，桥宽12.25m，分联墩墩高78m，桥墩设计为贵州山区非常常见的空心薄壁墩（6.5m×3.5m）、柱式墩（见图1～3）。

图1 空心薄壁墩一般构造（单位：cm）

全桥共3联：2m×（3m×40m）＋4m×40m；上部结构采用结构连续T梁。本地区场地类型为Ⅱ类，地震参数为抗震设防烈度Ⅶ度，地震动峰值加速度0.15g。全桥桥墩数据见表1。

表1 全桥桥墩基本参数

图2 空心薄壁墩身钢筋（单位：cm）

图3 柱式墩一般构造（单位：cm）

2 动力特性

动力特性是抗震性能评价的基础，本桥考虑X方向（纵桥向）和Y方向（横桥向）各35阶的模态，对结构进行模态分析，得到结构在计算方向上的有效参与质量累计（见表2）。

表2 全桥模态分析有效参与质量累计

从表2可以看出，在纵桥向和横桥向均获得了90%以上的参与质量，可满足规范要求。前5阶振型见表3。

表3 全桥模态分析振型描述

通过以上分析可知，本桥桥墩普遍较高，桥墩较柔，因而自振频率较低；1～2阶振型皆为纵向，说明本桥纵向刚度小于横向刚度；横向振型中出现扭转，以第3联最为明显，这是由于第3联桥墩刚度差异过于明显所致。

3 桥墩抗震性能评价

在基于性能抗震的设计理论中，现行规范并没有在这方面有明确的量化指标要求。一般可用来横量性能的参数有：变形、承载力、延性、曲率、阻尼比、有效刚度、能量等。参考文献［3-5］，采用墩顶位移延性系数和墩顶位移角2个指标评定桥墩抗震性能，常见的还有采用曲率延性系数指标［4］。

墩顶延性位移系数是在地震荷载作用下墩顶的最大位移与桥墩墩身首次进入屈服状态时墩顶的位移，即u＝um／uy。由文献［6］可知，对于常规的桥墩构件，悬臂墩或框架墩的纵桥向计算在墩底截面刚刚屈服时，可被认为曲率沿墩高线性分析，并得到墩顶屈服位移uy＝（1／3）×Φy×H2，其中Φy作为桥墩的屈服曲率可由桥墩的弯矩-曲率曲线得到，对于框架墩横桥向屈服位移需要作pushover分析得出。本文位移角可定义为墩顶位移与墩高的比值（见表4～5）。

表4 抗震性能指标墩顶位移延性系数

表5 抗震性能指标墩顶位移角

本桥墩高超30m，为非规则桥梁，地震分析方法运用MIDASCIVIL软件采用时程分析。由贵州省地震局工程地震研究中心、武汉地震工程研究院有限公司提供的3组时程波计算（按100年超越概率10%水平向峰值加速度（E2）），计算结果取3组的最大值（见图4）。

图4 某一组时程波

由于篇幅有限，本文只列出最高墩（7号）时程墩顶位移图（见图5～6），其他见统计表6～7。

表6 纵向地震波抗震性能评价

图5 7号墩纵向位移

图6 7号墩横向位移

从时程分析结果来看，不同的抗震性能评价指标反映的结论并不一致。本桥的位移延性系数指标均可满足完好指标，但位移角却存在不同的评价，总体上都能满足修复后使用要求。由于现行抗震规范并没有在桥墩抗震性能评价指标上有具体的规定，所以需要综合多种指标来评价分析，并确保每项指标都能满足最低目标性能要求。从桥墩类型抗震性能角度分析，空心薄壁墩比圆柱墩比延性更好，其变形为弯曲破坏，能消耗大量的地震能量，圆柱墩如果墩身过矮则有可能发生剪切破坏，这不是期望的破坏结果。

表7 横向地震波抗震性能评价

4 框架墩横向抗震分析

双柱或者多柱墩是非常常见的桥墩形式，在贵州山区高墩中往往有高达30～40m的情形，通常会设置2～3道中系梁，中系梁可减小圆柱墩横桥向长细比，以提高稳定性，但他会改变桥墩的侧向刚度。以本桥的9墩为例，通过桥墩的横向抗震分析发现（见图7），当墩顶位移达到14cm左右时，桥墩中系梁附近会提前出现屈服，甚至会优先于墩顶底位置屈服，这显然是对抗震不利的。对比其他有中系梁的圆柱墩亦有类似情况，即中系梁附近可能会先于桥墩顶底位置发生屈服。中系梁的存在会造成墩身刚度突变，柱弯矩、剪力在此位置都会发生突变，中系梁往往尺寸很大但长度又比较短，造成中系梁刚度与柱刚度相差很大。刚度差异越大，墩柱在中系梁附近越易形成薄弱层（形成塑性铰或剪坏）。此外对于多柱墩，在横向地震作用下，中系梁的存在还会造成墩柱轴力上发生剧烈的变化。

图7 桥墩的横向抗震分析

综上分析，对于桥墩中系梁宜尽量少设或不设，对已设中系梁桥墩，墩身在中系梁附近宜作箍筋加强，系梁两端也宜做箍筋加强，避免剪切先于弯曲破坏。

5 高墩的墩顶允许位移

山区高墩常见有实心矩形墩、空心矩形墩，这类桥墩刚度通常很大，按公路桥梁抗震细则规定，塑性铰区域的最大容许转角与极限破坏状态的曲率、等效屈服曲率、等效塑性铰长度有关。本文以7号高墩为例，墩高67.1m，设计为空心薄壁墩（6.5m×3.5m）。

利用MIDASCIVIL先作弯矩-曲率分析（见图8），也可参考文献［1］、［7］，得出该墩在横向位移下，等效屈服曲率为0.00057m-1，极限曲率为0.0035m-1。利用MIDASCIVIL作墩顶容许位移分析时，认定当桥墩墩身任意位置曲率达到极限曲率的一半时即到达设计容许曲率，此时墩顶位移即为容许位移。依此计算出7号墩顶横向容许位移约为1.9m，纵向容许位移会更大，因为桥墩纵向刚度比横向小，纵向的等效屈服曲率和极限曲率都比横向要大。由此可见，由于薄壁墩墩身很高，导致计算出墩顶容许位移非常大，这意味着薄壁墩墩身并不容易发生破坏，而桥墩的连接上构的支座（分联位置会设置支座，其他位置一般固结）却是无法适应如此大的位移。在桥墩抗震概念设计中，按能力保护原则，一般会要求桥墩的盖梁、挡块、桩基、支座等不应先于桥墩墩身破坏，对挡块、盖梁等可以通过尺寸增大、配筋加强来提高，但对本桥的支座要适应如此大的位移，支座设计将会十分困难，这亦说明支座是高墩桥梁抗震的一个非常脆弱的环节，应尽量避免设置支座。

图8 桥墩的弯矩-曲率曲线

6 结 论

（1）通过对贵州山区一典型实际桥梁桥墩抗震分析，在满足设防烈度要求下，各类型桥墩抗震性能均表现为可满足目标要求。

（2）圆柱墩抗震性能不仅与墩高有关，还与上部构件连接的边界条件有关，并且同一联不同刚底桥墩还会相互影响，但总的趋势是墩身较高的圆墩抗震性能比较低的要好。

（3）从桥墩抗震性能指标评价，空心薄壁墩性能优于圆柱墩，圆柱墩抗剪能力比矩形墩差，更容易发生剪切破坏，因而圆柱墩耗能能力更差。

（4）贵州高速公路圆柱墩习惯上采用密系梁，即桥墩系梁间距控制得很小，通常在12m内，这对于抗震而言并无益处。桥墩墩身系梁的存在会使墩身刚度沿高度上发生突变，使得墩身系梁位置在地震荷载下会产生更大的水平力，而墩身系梁上下位置一般不会加强，这导致系梁上下附近的墩身变成薄弱区，易形成新的塑性铰区域。

（5）空心薄壁墩刚度很大，横向屈服曲率虽然小于圆柱墩，但由于墩身非常高，使得墩顶容许位移会很大，已超出支座所能承受范围，这意味着分联处的薄壁墩支座会先于桥墩破坏，如对支座进行能力保护原则设计时，支座的设计将会变得很困难。