薛挥杰 杨明福 宁晓骏* 费建文 李扬 陈光杨

(1.昆明理工大学建筑工程学院 昆明 650000;2.四川西南交大土木工程设计有限公司云南分公司 昆明 650000)

0 引言

随着近年来我国西南地区交通的发展，西南地区桥梁愈来愈多，但西南地区多位于高烈度区，具有山高谷深、地形地貌复杂等特点，从施工工艺及经济性角度考虑，大量桥梁用装配式T梁，同时为适应较陡横坡地形条件，装配式T梁桥的下部结构通常采用双柱式或排架墩。在桥宽过大的情况下，多柱墩施工工艺成熟、能充分适应地形且对盖梁的要求低，因此被广泛应用在山区桥梁中。山区高陡横坡地段桥梁的设计往往使得多柱墩墩高差异较大，由此，桩顶系梁(又称地系梁)布置的问题日益凸显。若墩高差距过大，例如按照最低的桩布置布设桩顶系梁，会使得挖方大大增加，施工对边坡的扰动也会更剧烈，按照最高的桩布置设地系梁，会使桥梁整体刚度下降[1]。出于经济性和施工安全性的考虑，解决陡横坡地形下桩顶系梁布置问题迫在眉睫。

本文以贵州省某装配式预应力T梁桥为实例，桥跨为2×40 m，桥墩采用三柱墩(本文以三柱墩为例，多柱式墩不再一一分析)，桥面总宽20 m，桥墩采用桩柱一体式，墩径1 m，桩径1.2 m，1号墩32.53 m，2号墩28.03 m，三号墩23.53 m，桥梁类型为B类桥，场地类型为Ⅱ类场地，设防烈度7度，采用Midas/Civil有限元软件对同墩高同地质条件下的全桥进行分析，依据可能的地系梁布置6个工况，进行抗震分析，讨论地震下桩顶系梁设置对三柱墩抗震性能的影响，以期能对类似工程提供一定的参考依据。

1 模型建立

通过Midas/Civil有限元软件建立全桥模型如图1。

其中考虑到桥梁结构整体抵抗横向和纵向地震作用的影响，模态组合使用 CQC 法，上部结构考虑二期恒载、预应力、自重，不考虑荷载的作用，墩梁采用固定支座模拟，联端采用滑动支座模拟，同时利用土弹簧模拟软件模拟桩-土作用，桩底采用固定约束[2]，全桥模型如图1，桥墩由高到低依次编号1、2、3。

图1 全桥模型(工况1)

在工况的选择上，本文主要研究桩顶系梁的连接方式对抗震的影响，故除两桩顶系梁同一高度的特殊工况外，不再针对系梁在同一种连接方式下的不同高度进行分析(实际上，在同种连接方式下桩顶系梁高度可变化的区间并不大)。同时考虑桩顶系梁的作用之一是减少桩的不均匀沉降，而交错布置系梁会使两侧桩基在产生不均匀沉降时，中间桩产生较大的内力，且不利于内力的传递与各桩的协同工作，故本文在交错桩顶系梁布置的模型中，采用两桩顶系梁竖向间距的最小原则布置。本文设置6个工况，桩顶系梁布置见图2。

图2 各工况系梁布置示意

2 抗震分析

由于本桥为规则桥梁，依照公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01—2008)的相关规定,桥梁抗震计算方法可采用单振型或多振型反应谱法，其方法是在一定阻尼系数的条件下输入不同地面运动后不同固有频率的单质点体系得到的位移反应，速度反应和加速度反应最大值的外包络曲线[3]，反应谱拟合相关参数如表1所示。

表1 反应谱拟合相关参数

2.1 E1地震作用下的动力响应

依照公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01—2008)中5.2.1与5.2.2的相关规定拟合E1地震条件下反应谱函数曲线见图3。

图3 E1地震反应谱函数曲线

抗震计算考虑顺桥向的内力及横桥向的内力及位移。首先对横桥向进行计算，得出E1地震作用下横桥向各墩的剪力值如表2。

表2 横桥向各墩的剪力值 kN

各墩的弯矩值如表3。

表3 横桥向各墩的弯矩值 kN·m

由计算结果来看，E1地震作用下横桥向的最大内力因为桩顶系梁的布置有时并非出现在墩底，而是出现在墩与系梁连接位置，提取其各个工况下最大剪力值与最大弯矩值对比如图4、图5。

图4 E1地震作用下横桥向各工况最大剪力值

图5 E1地震作用下横桥向各工况最大弯矩值

通过对比可以看出，横桥向其最大弯矩与最大剪力的大小有一致性，工况5最大内力较小，其内力在各墩中分布较好，桩顶系梁布置合理。

同时考虑在地震作用下的墩顶位移，因顺桥向位移一般有桥台作为约束[4]，故本文只考虑横桥向位移，对其在E1地震作用下的响应进行分析，得出数据如图6。

图6 E1地震作用下横桥向各工况墩顶位移量

通过位移数据可以看出：3个桥墩位移变化均一致。在工况5下桩顶系梁的设置对墩顶的位移有明显改善，在实际设计中，工况5在横桥向具有较好的安全性。

针对E1地震作用下对顺桥向的响应分析，计算得出E1地震作用下顺桥向剪力见图7。计算得出E1地震作用下顺桥向弯矩见图8。

图7 E1地震作用下顺桥向剪力

图8 E1地震作用下顺桥向弯矩

通过计算结果可知：在顺桥向，各墩最大的内力均出现在各墩墩底。桩顶系梁位置的改变会影响其向内力分布，较矮墩(3号墩)的内力值相对较大。值得注意的是，工况5的最大弯矩相对最小，但最大剪力较大，且其最大剪力值出现在中墩，这是因为在工况5的2号墩墩底两道系梁同时在该处，其刚度效应较明显，在依据工况5布置方式的实际设计施工中，应着重考虑对中间墩墩底抗剪能力的验算与保护。

通过以上研究，可以看出：陡横坡下三柱墩内力最大值一般出现在最矮墩的墩底处。依据工况5布置桩顶系梁在横桥向各墩内力分布与位移均较有优势，同时在顺桥向，工况5弯矩虽小但中间墩剪力大。综合对比各工况的内力值与墩顶位移值，工况5具有一定的优势，但需着重验算中间墩墩底部位的抗剪强度。

2.2 E2地震作用下的动力响应

在E2地震作用下，容许结构进入塑形工作状态，即此结果关注的是结构的变形，其E2反应谱函数曲线见图9。

图9 E2反应谱函数曲线

依据文献[3]的研究，在规则桥梁中，刚度折减的反应谱法趋于简单方便，且能够满足实际工程中的计算精度要求，故本次采用刚度折减反应谱法，基于延性设计理论，桥墩在E1地震作用下进入塑形阶段，需要对桥墩的刚度折减加以考虑，根据城市桥梁抗震设计规范，E2作用下的延性构件的有效界面抗弯刚度按式(1)计算：

(1)

以设置墩柱间系梁的1号墩为例，屈服弯矩My=17 090.3，屈服曲率0.007 042 rad/m，Iyy=0.515 3 m4，Ec=3.0×107 kN/m3，

折减系数：

(2)

对截面刚度进行折减后，再进行E2地震作用下横桥向位移计算，结果见表4，对比数据可以看出：①各工况在E2地震作用下实际位移变化不大，且均远远小于容许位移，均有充足的安全储备；②在E2地震作用下，工况5横向位移最小，其安全储备最大，对比其他工况，是较有优势的。

表4 E2地震作用下横桥向位移 m

3 结论

(1)在地震作用下，桩顶系梁布置位置的改变对桥梁内力的大小和分布均有较大影响，综合分析各种系梁布置情况、横桥向与顺桥向的内力分布与位移，工况5的桩顶系梁布置方法，其内力分布与位移情况较合理。

(2)在E1地震作用下，依照工况5设置桩顶系梁，顺桥向和横桥向最大内力均出现在墩底。系梁的布置方式会改变桥墩的局部刚度，顺桥向改善了弯矩分布，但会导致中间墩墩底剪力增加，实际设计施工中，应注意验算顺桥向中间墩墩底的抗剪强度或对中间墩墩底采取一定保护措施。

(3)在E2地震作用下，桩顶系梁的布置方法改变对墩顶位移影响不大，均有较大的安全储备。