摘 要：为了保证桥梁抗震设计水平，文章探讨了静力法、反应谱法、动态时程法等在高墩桥梁地震响应分析中的应用，从地震波选取、桥墩形式选择、横向钢筋设计、纵向钢筋设计、减隔震技术设计等方面分析了高墩桥梁的抗震设计要点。同时，利用有限元软件建立模型，分析了某高墩桥梁的侧向峰值位移和曲率对地震力的响应，研究成果可为高墩桥梁抗震设计提供理论指导。
关键词：高墩;桥梁结构;地震响应;设计要点;有限元;
作者简介：胡春（1991—）,男,硕士,路桥工程师,从事路桥设计工作。;
0 引言随着经济发展，越来越多的公路工程在山区开工建设。山区地势起伏大，往往需要设计较高的墩柱。桥墩是桥梁结构的主要承重构件，在地震力作用下，容易出现支座大变形剪切、落梁破坏等病害，导致巨大的经济损失或人员伤亡。近年来，国内外很多学者利用数值模拟、室内试验等措施分析了桥梁墩柱的设计要点和地震响应规律，但由于高墩桥梁受力机理复杂，仍未形成统一的成果[1]。如何开展桥梁高墩抗震设计，提升桥梁在建设和运营期间的安全性，是技术人员需要解决的重要问题。
1 高墩桥梁地震响应分析方法根据相关研究成果，可将桥墩高度大于40 m的桥梁视作高墩桥梁。高墩桥梁在设计时要对地震响应进行分析，目前概率性地震响应分析法不成熟，大部分国家是采用确定性地震响应分析方法，比如静力法、反应谱法、动态时程法等。不同分析方法的适用条件总结见表1[2]。
表1 高墩桥梁地震响应分析方法对比 下载原图
静力法是桥梁结构抗震分析最早使用的方法，它假设结构是完全刚性的，运动特点与地震波相同，此时作用在桥梁结构上的惯性力F可用式（1）计算：
式中，W——结构自重（kg);amax——地震动峰值加速度；g——重力加速度。
由此可知，静力法忽略了桥梁结构在地震力作用下共振，只有当结构基本周期远小于地震动卓越周期时才成立。
1.2 反应谱法反应谱法分析桥梁结构地震响应时，考虑了其动力特性，并作出以下假设：第一，地震反应是线弹性的；第二，桥梁结构在所有支承处的地震波参数保持一致。对于多振型反应谱法，可能存在振型组合问题。目前，常用的振型组合方法有CQC法（完全平方根组合法）和SRSS法（平方和开方法），可按式（2）和式（3）计算[3]:
式中，Si—第i阶振型的地震响应；Sj—第j阶振型的地震效应；rij—相关系数。
CQC法多用于振型密集的结构，比如斜拉桥、悬索桥等。SRSS法多用于振型周期差别较大的结构，比如梁式桥。
1.3 动态时程法对于重要桥梁结构，一般是先利用反应谱分析法开展初步抗震概念性设计，再利用时程分析法评估结构的地震反应。
动力时程分析法需要先建立桥梁结构的动力分析模型，将地震波作为激励输入进动力方程中，并求解动力方程得到地震反应时程曲线。需注意，动态时程法计算工作量大，人工计算难度大，一般是利用计算机软件开展分析。
2 高墩桥梁抗震设计要点分析2.1 抗震设防目标由《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020，简称《规范》）可知，高墩桥梁可根据公路等级、单跨跨径等因素划分为A类、B类、C类、D类，其中A类、B类、C类桥梁需考虑两水准抗震设防，D类桥梁考虑一水准抗震设防，不同桥梁的抗震设防目标如表2所示[4]。
表2 高墩桥梁在不同地震作用下的设防目标 下载原图
高墩桥梁抗震设计的第一步就是要选择合适的地震波，这样才能准确地模拟桥梁所处的实际环境。目前，选取地震波的方法有两种：一是采用拟建场地的实际地震波。实际地震波不易获取，且地震波在时间上具有较大的随机性，在波形和频率上也有较大的随机性，历史地震波监测数据不能完全代表将来；二是采用人工合成地震波，即以规范设计反应谱为目标拟合而成。
2.2.2 地震作用组合高墩桥梁抗震分析采用反应谱法时，应分别计算X方向、Y方向、Z方向的地震效应分量Ex、Ey、Ez，再利用式（4）对不同方向的地震效应分量进行组合。采用动态时程法时，应同时输入两个或三个方向分量的一组地震动时程计算地震作用效应[5]，具体算式如下：
式中，E—最大地震作用效应。
2.3 桥梁墩柱设计2.3.1 桥墩形式选择大量工程实践表明，高墩桥梁多建设在山岭地区，且以曲线桥为主，其桥墩形式会直接影响桥梁结构在地震作用下的稳定性。以梁式桥为例，常用的桥墩形式有独柱T形墩、空心薄壁墩、门架墩、组合墩等，其中独柱墩的最大特点是截面横向尺寸小；空心薄壁墩的外观与独柱墩相似，但截面横向尺寸偏大；门架墩（横向采用系梁连接）的刚度好于独柱墩和空心薄壁墩，但其抗扭刚度不大。由于桥墩在地震作用下的变形属于“弯扭耦合”，设计时应选择抗弯刚度和抗扭刚度大的桥墩。
2.3.2 横向钢筋设计横向钢筋在高墩桥梁中的功能主要体现在三个方面：(1)约束塑性较区域内混凝土，提高其抗压强度和延性；(2)提供抗剪能力；(3)防止纵向钢筋压曲。
高墩桥梁墩柱的混凝土保护层不受横向钢筋约束，在地震力影响下容易剥落，无法为横向钢筋提供锚固。因此，箍筋应等强度焊接来闭合，或在端部弯过纵向钢筋伸进混凝土内，伸进长度宜取6倍的箍筋直径，且不小于10 cm，伸进角度不小于135°。
2.3.3 纵向钢筋设计纵向钢筋配筋率过高或过低都会对高墩桥梁混凝土墩柱的延性产生影响，从而影响墩柱的地震响应。纵向钢筋配筋率过低，墩柱的抗压强度小，在地震作用下容易破坏；反之，不利于高墩桥梁墩柱混凝土的浇筑和振捣，大幅度地提高了墩柱的施工难度。《规范》建议高墩桥梁墩柱的纵向钢筋面积应控制在0.006Ag～0.04Ag，其中Ag为墩柱截面总面积。同时，为了确保高墩桥梁墩柱的纵向钢筋在地震力作用下不出现“黏结”破坏，纵筋纵向钢筋宜伸进盖梁顶面和承台底面。需注意，纵筋不应在塑性铰区域进行搭接。
2.4 减隔震技术设计在高墩桥梁抗震设计时，采用减隔震装置能在满足正常使用功能的条件下，延长桥梁结构的自振周期，增大阻尼，以快速消耗地震能量，减小桥梁结构对地震力的响应。合理、可靠的减隔震装置在地震作用下会产生较大的塑性变形，而桥梁的其他构件基本处于弹性状态。根据相关研究成果，并不是所有的高墩桥梁都可以使用减隔震技术，比如基础土层不稳定、易液化的场地。桥梁结构基本振动周期较长等情况，而在桥墩高差较大时使用减隔震装置，效果明显[6]。
《规范》将桥梁减隔震装置划分为整体型和分离型两类，前者包括铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座等，后者包括橡胶支座 金属阻尼器或摩擦阻尼器。对于高墩桥梁，地震力所引起的墩顶加速度和剪切力较大，支座需提供较大的阻尼，铅芯橡胶支座的适用性强。铅芯橡胶支座是在板式橡胶支座内部插进铅芯棒，以提高桥梁结构阻尼（铅芯橡胶支座阻尼比在15%～25%，板式橡胶支座阻尼比仅5%左右）。在震级较小的条件下，铅芯具有一定的剪切强度和剪切刚度，以抵抗水平剪力。反之，铅芯屈服，能提供较大的剪切变形积聚能量。地震结束后，铅芯力学性能会恢复。
3 基于有限元软件的高墩桥梁抗震性能分析3.1 工程概况该文以某连续梁桥为研究对象，利用有限元软件建立有限元模型，分析墩间距、墩高差等参数对高墩桥梁地震响应规律的影响。该桥梁全长120 m，跨径组合为（40 40 40)m，设计角度为90°，桥面净宽34 m，见图1。
图1 连续梁桥立面布置 下载原图
桥梁上部结构使用连续箱梁，梁高为2.5 m，梁体采用C40混凝土浇筑，混凝土重度取25 k N/m3；下部结构选用双柱墩，墩高50 m；基础采用直径1.5 m的钻孔灌注桩；支座拟采用板式橡胶支座或铅芯橡胶支座；桥面铺装层厚10 cm，其结构组合为：4 cm AC-13C 6 cm AC-20C 防水层。
3.2 有限元模型构建3.2.1 模型单元该文选择梁单元来模拟连续梁桥的主梁，高墩桥梁的桥墩及桩基采用实体单元模拟。
3.2.2 网格划分高墩桥梁模型的网格尺寸会直接影响其抗震计算的准确性和计算速度。一般情况下，网格尺寸越小，高墩桥梁抗震计算越准确，但计算效率低。反之，高墩桥梁的地震响应规律可能无法反映实际情况。综合考虑计算效率和计算准确性，该桥梁的网格采用正六面体单元，网格尺寸取0.3 m，共划分2 262单元、2 816个节点。
3.2.3 荷载大小高墩桥梁的荷载取恒载 活载，其中恒载包括梁体、桥面铺装、防撞栏等自重，将其简化成均布荷载；活载中汽车荷载取公路I级、梯度温度荷载按《公路桥涵设计通用规范》（JTTGD60—2015）取值。此外，高墩桥梁所承受的地震波采用人工合成波。
3.2.4 支座边界条件支座可视作高墩桥梁上、下部结构的作用力传递的媒介，必须重视其边界条件的设置，主梁与墩柱之间的边界条件见表3。
表3 支座边界条件 下载原图
该文利用有限元软件计算了E2地震作用下，桥墩在5 m、15 m、25 m、35 m、45 m、50 m处的侧向峰值位移和峰值曲率，计算结果见图2。
图3 高墩桥梁地震响应 下载原图
图3计算结果表明：随着墩高的增加，墩柱的峰值位移不断增大。当墩高<5 m，墩柱峰值位移变化不明显；当墩高≥5 m，墩柱峰值位移与墩高基本呈线性正相关关系，墩高每增加10 cm，峰值位移平均增加4.6 mm。同时，墩柱的峰值曲率随墩高的增加呈“先增大后减小”的趋势。墩高为0 m时，峰值曲率达到峰值10.3×10-6 m-1；墩高为5 m时，峰值曲率达到峰值12.8×10-6 m-1；墩高为50 m时，峰值曲率值最小，基本接近0。
4 结论该文分析了高墩桥梁抗震分析方法和抗震设计要点，并论述了利用有限元软件计算高墩在地震力作用下的响应规律，得到以下结论：
(1）高墩桥梁常用的地震响应分析方法有静力法、反应谱法、动态时程法等。
(2）高墩桥梁一般是采用两级设防标准，在设计期间要重视地震波选取、桥墩形式选择、横向钢筋设计、纵向钢筋设计、减隔震技术设计等。
(3）墩高会对桥梁的地震响应产生较大的影响。随着墩高的增加，墩侧峰值位移不断增加，峰值曲率先增大后减小。
参考文献[1] 徐远贺,戴广鹏.山区高墩桥梁抗震设计要点分析[J].交通世界,2020(29):138-139.
[2] 何瑞玺.山区高墩桥梁的抗震设计要点与构造措施分析[J].工程技术研究,2018(10):145-146.
[3] 胡丰玲.高烈度区高墩大跨桥梁抗震设计[J].现代交通技术,2018(3):45-48.
[4] 马骥.桥梁高墩抗震设计方法研究[D].上海：上海交通大学,2016.
[5] 王欣.桥梁高墩地震作用响应效果分析[D].大连：大连交通大学,2016.
[6] 李竟涛.钢筋混凝土桥梁高墩的性能指标及基于性能的抗震设计研究[D].重庆：重庆大学,2013.
声明：我们尊重原创，也注重分享。有部分内容来自互联网，版权归原作者所有，仅供学习参考之用，禁止用于商业用途，如无意中侵犯了哪个媒体、公司、企业或个人等的知识产权，请联系删除（邮箱：glyhzx@126.com），另本头条号推送内容仅代表作者观点，与头条号运营方无关，内容真伪请读者自行鉴别，本头条号不承担任何责任。
