高烈度地震山区常规简支梁桥的桥墩型式选择

对四川山区中小跨径简支T梁桥常用的2种跨径、3种不同类型墩柱的抗震性能分别进行了对比分析，并结合工程造价因素综合选取最合适的墩型，使结构能更好地满足耐久、经济、实用的要求。

地震； 桥梁抗震； 墩型选择

U443.22 A

［定稿日期］2022-02-17

［作者简介］朱丽瑶（1994—），女，硕士，工程师，主要从事桥梁设计工作。

近年来，四川地震多发，对道路、桥梁的结构安全产生了巨大的威胁。川西山区的地震基本烈度普遍大于VII度，桥梁抗震设计的重要性更为突出。在山区公路桥梁中，中小跨径简支梁桥量大面广，是一条道路上广泛分布的震害风险点，且对整条道路的经济性指标影响较大。因此，在山区公路设计中，综合考虑桥梁结构抗震性能和经济性能进行中小跨径桥梁结构选型，具有较大的实际意义。

山区公路中小跨径简支梁桥的上部结构型式以预应力混凝土简支T梁（25 m、30 m或40 m跨径）和预应力混凝土简支小箱梁（25 m或30 m跨径）为主，下部结构型式主要以圆柱式双柱墩（以下简称“双柱圆墩”）、双柱式矩形空心薄壁墩（以下简称“双柱方墩”）和独柱式矩形空心薄壁墩（以下简称“独柱方墩”）为主。山区公路中小跨径简支梁桥设计，上部结构选型主要考虑桥梁高度、平曲线半径、运输条件等因素，而下部结构选型则主要考虑地形条件、经济性和抗震性能。确定上部结构跨径和型式之后，墩型选择是山区中小跨径桥梁抗震设计中十分重要的一步，合理的墩型使桥梁结构既满足抗震性能的需求，又满足美观、经济、实用的要求。

本文分别以山区公路中小跨径简支梁桥中最常见的30 m跨径和40 m跨径预应力混凝土简支T梁为例，通过有限元模型抗震分析，对采用双柱圆墩、双柱方墩和独柱方墩的桥梁的抗震性能作对比分析，并结合工程实际综合选取最合适的墩型。

1 分析方法与模型

1.1 主要结构尺寸

本文采用有限元分析软件Midas Civil进行桥梁结构抗震受力分析，建立了3组空间梁单元有限元模型。考虑到分析结论的普适性，采用相同的墩高、地质条件和地震荷载，只改变桥墩结构形式，进行对比分析。

第一组模型为4×30 m跨径简支桥面连续T梁桥，四跨一联，桥面宽度12.6 m。5个桥墩高度均为40 m。通过改变桥梁下部结构型式，分别建立了双柱圆墩计算模型、双柱方墩计算模型和独柱方墩计算模型，进行对比分析。第二组模型在第一组模型的基础上，墩高调整为60 m，桥梁分联、桥面宽度、下部结构基本型式及截面尺寸均与第一组模型一致。第三组模型在第二组模型的基础上，调整上部结构为4×40 m跨径简支桥面连续T梁，并对应调整下部结构尺寸，桥梁分联、桥面宽度及下部结构基本型式均与第一组模型一致。

图1～图3分别为3种墩型的立面图，墩柱主要截面尺寸和配筋信息详见表1、表2。墩柱、盖梁均采用C40混凝土。

本文仅对墩柱进行分析，不考虑桩土共同作用，直接在墩底设置固结边界条件。2～4号墩墩顶设置板式橡胶支座，采用弹性连接模拟（每片T梁每端设置1块，30 m跨径T梁采用GJZ350×450×84，40 m跨径T梁采用GJZ400×450×99），1号墩和5号墩墩顶设置四氟滑板橡胶支座，采用弹性连接模拟，释放剪切刚度。

图4～图6分别为3种墩型的有限元分析模型。

第二组和第三组有限元计算模型与第一组计算模型类似，限于篇幅，不再单独给出。

地震荷载采用JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》［1］中的设计反应谱，地震动峰值加速度0.2g，场地特征周期0.4 s，场地类别为II类，桥梁抗震设防类别为B类，桥梁类型为高速公路上的大桥。采用E2地震进行分析，设计加速度反应谱如图7所示。

2 第一组模型分析结果

2.1 桥梁动力特性

采用3种墩型的桥梁自振周期计算结果如表3所示。

从结果中可以看到，双柱圆墩模型的自振周期最长，结构刚度最小，双柱方墩模型和独柱方墩模型的自振周期相差不大，结构刚度大致相当。

2.2 桥梁抗震性能

在E2地震+永久作用组合下，采用3种墩型的桥梁的桥墩抗弯计算結果如表4和表5所示。表中墩底弯矩和墩底轴力为E2地震+永久作用组合下墩底截面同时发生的最不利弯矩和轴力组合值。弯矩抗力是指在上述轴力组合值作用下，按截面材料（C40钢筋混凝土）、尺寸和实配钢筋，采用轴力-弯矩-曲率分析，并根据JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》中的原则计算得到截面等效屈服弯矩。

从上述计算计算结果可知，计算模型所采用的3种墩柱均能基本满足抗震需求，说明拟定墩柱尺寸和配筋基本合适。在墩高相同、截面主筋配筋率相同的情况下，桥墩顺桥向的抗震能力需求比差异不大，排序为：双柱圆墩＞双柱方墩≈独柱方墩；桥墩横桥向的抗震能力需求比排序为：独柱方墩＞双柱圆墩＞双柱方墩；3种墩型的混凝土工程量分别为：双柱圆墩251 m3，双柱方墩250 m3，独柱方墩248 m3，3种墩型相差不大，而主筋配筋率基本一致，因此3种墩柱工程数量差别不大，但独柱方墩可在本次计算采用的配筋方式的基础上适当减少横桥向主筋，在材料用量上较其余2种墩型有一定优势。但从施工便捷性方面看，双柱圆墩优于其余2种方墩墩型，对山区横桥向起伏较大的地形条件的适应性也更佳。

综上所述，对于墩高40 m左右的山区30 m跨径简支T梁桥，可根据实际施工条件择优选择独柱方墩或双柱圆墩方案，使之更符合经济、美观、实用的标准。

3 第二组及第三组模型分析结果

3.1 桥梁动力特性

第二组模型为4×30 m简支T梁，墩高60 m。第三组模型为4×40 m简支T梁，墩高60 m。2组模型的桥梁自振周期计算结果如表6、表7所示。

通过对比第一组模型和第二组模型计算结果可知，对于4×30 m简支T梁桥，墩高加大，结构变柔，2个方向的自振周期均相应延长，且双柱圆墩方案的自振周期对墩高最敏感。

由表7结果可知，对于4×40 m简支T梁桥，采用双柱圆墩的桥梁自振周期依然是采用3种墩型的桥梁中最长的，结构整体刚度最小，而采用双柱方墩和独柱方墩的桥梁的自振周期相差不大，结构刚度大致相当。

3.2 桥梁抗震性能

在E2地震+永久作用组合下，2组对比模型采用3种墩型的桥梁的桥墩抗弯计算结果如表8、表9、表10、表11所示。

从第二组模型计算结果中可以看到，对于墩高60 m的30 m跨径简支T梁，墩高相同、截面主筋配筋率相同的情况下，桥墩顺桥向的抗震能力需求比排序为：双柱圆墩＞双柱方墩≈独柱方墩；桥墩横桥向的抗震能力需求比排序为：独柱方墩＞双柱圆墩＞双柱方墩。综合比较可知，独柱方墩和双柱圆墩抗震性能各有优势，总体优于双柱方墩。

从第三组模型计算结果中可以看到，对于墩高60 m的40 m跨径简支T梁，墩高相同、截面主筋配筋率相同的情况下，桥墩顺桥向的抗震能力需求比排序为：双柱圆墩＞独柱方墩＞双柱方墩；桥墩横桥向的抗震能力需求比排序为：独柱方墩＞双柱圆墩＞双柱方墩。综合比较可知，独柱方墩抗震性能较优。

从第三组模型计算结果中还可以看到，在计算模型采用的截面尺寸和配筋方式下，3种墩型均存在2个方向上的抗震能力需求比不平衡的情况，需要优化截面尺寸或钢筋配置。对于矩形截面桥墩来说，通过局部调整截面尺寸或钢筋配置来优化横桥向和顺桥向2个方向的抗震承载能力是非常方便的，而双柱圆墩的纵向钢筋是沿周长均匀分布的，不方便通过优化结构设计来单独调整某个方向上的抗震承载力，若需要提高某个方向的抗震承载力，则需要同步增加另一方向上的截面尺寸或配筋，材料用量增加较多，工程造价也随之增加较大。

从施工便捷性方面分析，如前所述，双柱圆墩优于2种方墩墩型，而独柱方墩由于截面尺寸较大、立柱数量更少，又要明显优于双柱方墩，且在墩高较大时优势更明显。

综上所述，对于墩高60 m左右的山区40 m跨径简支T梁桥，选择独柱方墩方案，更符合经济、美观、实用的标准。

4 结论

通过有限元对比分析，在综合考虑抗震安全性、材料用量以及施工便捷性等因素后，对于墩高40～60 m左右的山区30 m跨径简支T梁桥，可根据实际情况择优选择独柱方墩或雙柱圆墩方案；对于墩高60 m左右的山区40 m跨径简支T梁桥，宜选择独柱方墩方案。

参考文献

［1］ 中华人民共和国交通运输部，公路桥梁抗震设计细则： JTG/TB02-01-2008［S］.北京：人民交通出版社，2008.