８８ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１５年５月第５期 双层高架桥门式墩与独柱墩抗震性能比较分析 鲁传安 （上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市２０ｏｏ９２） 摘 要：上层市政道路下层轨道交通的双层高架桥已越来越广泛地运用于城市交通中，但是由于其结构的复杂性，地震震害表 现出与一般高架桥不同的特点，需要对其抗震性能进行深入研究。基于国内某工程实例，比较分析了门式墩与独柱墩双层高架桥 的抗震性能，包括计算模型的建立、动力特性分析、反应谱分析及非线性时程分析，得出了若干结论，可为今后类似工程抗震设计 提供借鉴。 关键词：双层高架桥；动力特性；地震反应；抗震性能 中国分类号：Ｕ４４２．５ ５ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１Ｏｏ９＿７７１６（２Ｏ１５）０５－ｏｏ８８—０４ 噬盐遒 心线 １概述 近年来我国经济得到了迅猛发展，城市土地 资源的稀缺及桥梁建设用地的紧张日显突出。为 了在有限的土地资源上极大地提高城市交通的使 用效率、改善桥梁通行条件，双层高架桥便应运而 生，其中以上层市政高架道路下层轨道交通的双 层高架应用越来越广泛［１】。双层高架桥结构比较复 杂，震害与一般高架有所不同。在１９８９年洛马普 里埃塔（Ｌｏｍａ Ｐｆｉｅｔａ）地震中，美国旧金山海湾地区 的双层高架桥大多出现了损伤，其中赛普拉斯 （Ｃｙｐｒｅｓｓ）双层高架桥的倒塌造成了较大的人员伤 亡和财产损失。从而引起了广大学者对双层高架 桥抗震性能研究的重视，也取得了一定的研究成 果【 ｌ、【３１。 本文基于国内某工程实例，针对上层公路下 层轨道交通的双层高架桥进行分析。该工程采用 桥面连续结构简支箱梁结构，其中以混凝土箱梁 为主，辅以跨路口的大跨径钢砼叠合箱梁。上层桥 宽１８ ｍ，下层轨道交通单线宽４．３ ｍ，双线宽８ ｍ， 标准跨径为３０ ｍ、３５ ｍ及４０ ｍ三种。下部结构采 用门式墩和独柱墩两种形式，基础为钻孔灌注桩。 典型独柱墩及门式墩立面布置图如图１、图２所 示。本文桥墩采用延性抗震设计方法，即墩柱按延 性构件设计，横梁、塑性铰区抗剪及桩基础按能力 保护构件设计。 图１门式墩立面布置圈 ２动力计算模型及动力特性 ２＿１动力计算模型 为了研究比较两种桥墩的抗震性能，分别选 收稿日期：２０１５一Ｏ１—２６ 作者简介：鲁传安（１９８３一），男，安徽宣城人，硕士研究生，工程 师，从事桥梁工程设计工作。 图２独柱墩立面布置圈 ２０１５年５月第５期 城市道桥与防洪 桥梁结构８９ 表１结构的动力特性表 取两联标准跨径为４０ ｍ且为标准宽度的桥梁结 构进行抗震分析，同时为了考虑相邻结构的影响， 建模时将相邻桥跨也一并模拟，两个模型选取的 墩柱总高度也基本一致，在２５ ｍ～２９ ｍ之间。 主梁和桥墩均采用空间梁单元模拟。在支座 主梁一致纵飘 主梁相对纵飘 ２．２７８ １．６４３ 主梁一致纵飘 主梁相对纵飘 模拟时，将弹性支座处理为主梁和墩顶采用弹簧 单元模拟，由于主梁和墩顶之间每排均设有多个 支座，在模型中均进行了适当的合并。在地震反应 分析中，考虑到桩基础的刚度和土层的特性对结 构地震响应的影响，桥梁桩基础通过在承台底部 上下层主梁相对纵飘 １．４６４ 主梁对称侧弯 上下层主梁相对纵飘 １．２９５ 主梁反对称侧弯 高 梁相对纵飘 ６ ¨ｓ … ０．９７９ 主梁高阶 对称侧弯 主梁高阶反 Ｏ．７３５ 下层主梁相对纵飘加上六个方向的弹簧来模拟桩基础的作用。为了 能更真实模拟实际情况，建模过程中考虑了上层 桥面连续部分的影响，而下层是轨道交通，建模时 把轨道对主粱的连接作用也考虑进去。门式墩及 独柱墩动力计算模型分别如图３、图４所示。 １ ２ ３ ４ ５ １ ｌ １ Ｏ Ｏ ２ ４ ８ Ｏ 踢 １ 图３门式墩动力计算模型 图４独柱墩动力计算模型 ２．２动力特性 分析和认识桥梁的动力特性是进行结构抗震 性能分析研究的基础，根据图３、图４的动力计算 模型，对两种桥墩结构模型进行动力特性分析，结 果如表１所列。 由表１可知，两个模型的第一阶振型均为纵 飘，表明纵向刚度均较横向刚度小。而门式墩模型 第一阶振型周期短于独柱墩，说明门式墩纵向刚 度大于独柱墩。其次，门式墩模型第一阶横向振型 出现在第７阶，独柱墩模型第一阶横向振型出现 在第３阶，可见门式墩横向刚度更大。 ３反应谱分析 在前述动力特性分析所采用的结构有限元模 型中，分别输入５０ ａ１０％超越概率（相当于Ｅｌ地 对称侧弯 ７ ０．７３ １ 主梁对称侧弯０．８５８ 主粱高阶 对称侧弯 ８ ０．６８３ 主梁对称侧弯 ０．８０５ 上下两层主梁 相对纵飘 ９ ０．４６３ 扭转 Ｏ．７２５ 扭转 １０ ０．６３０ 上下层主梁相对纵飘０．７２０ 扭转 震）及５０ ａ３％超越概率（相当于Ｅ２地震）、阻尼比 为５％的场地加速度反应谱，反应谱见图５所示。 输人方向组合分别为：纵向＋竖向和横向＋竖向。 计算结果取前３００阶进行组合，组合方式为ＣＱＣ 组合，计算结果汇于表２ 表５。 籁 霎 醴 摧 周期／０ 图５地震影晌系数反应谮图示 由表２一表５可知，横梁地震反应门式墩均大 于独柱墩，特别是横向地震反应门式墩远大于独 柱墩，门式墩剪力效应一般都大于独柱墩，而弯矩 效应则是除上层柱顶位置外，其余均是门式墩纵 向大，独柱墩横向大。可见，大部分的地震反应均 是门式墩较独柱墩大。两者上部结构质量一致，而 且墩柱高度也接近。造成这一现象的主要原因是 两者动力特性差异。由前述动力特性可知，门式墩 周期要低于独柱墩，对应的反应谱值则是门式墩 大，从而地震反应也相应较大。独柱墩下柱和上柱 底弯矩较大的原因，则是独柱墩为静定体系，横向 受力主要由立柱承担，门式墩则由于本身的框架 体系，横向受力由立柱和横梁共同承担。 ９Ｏ 桥梁结构 城市道桥与防洪 ２０１５年５月第５期 根据抗震规范对关键截面强度进行验算，结果 表明，在Ｅ１地震作用下，独柱墩墩身、桩基础满足 强度抗震要求。在Ｅ２地震作用下，横桥向独柱墩 墩底发生屈服。桥墩上、下横梁满足强度抗震要 求；门式墩下层柱底、上层柱顶底截面在水准ＥＩ 地震作用下，横向抗弯能力已不能满足需求，在Ｅ２ 地震作用下，除上层柱顶截面纵向未屈服以外，其 余均进入屈服状态。桩基础在Ｅ１地震作用下强度 满足要求。门式墩的上下横梁强度满足抗震要求。 ４非线性时程分析 根据反应谱的分析结果，可以知道在Ｅ２地震 下大部分墩柱发生损伤。因此，为了确保在该水准 地震作用下，各构件满足预期的抗震性能要求，尤 其是墩柱进入损伤后的延性变形情况，需采用非 线性时程分析方法进行分析。 在时程计算中，墩、柱的非线性特性通过采用 集中塑性铰梁单元模拟。在每个墩的屈服位置设 ２０１５午５月第５期 城市道桥与防洪 桥梁结构９ｌ 置一个塑性铰。塑性铰的参数根据墩、柱的截面的 实际配筋情况计算的弯矩一曲率关系来确定。 时程分析的地震输入组合为纵向＋竖向和横 向十竖向，竖向加速度取为横向或者纵向的０．５，考 虑到地震动的随机性，对符合概率水准的六条地震 波进行了计算，取其平均值作为时程计算的结果。 同时，对塑性铰变形、塑性铰区域抗剪及桩基进行 验算，表６、表７有代表性地列出了Ｅ２地震下墩底 截面塑性铰地震响应及验算结果。门式墩其余位置 塑性铰验算及桩基验算结果限于篇幅未列出。 表６ Ｅ２地震墩底截面塑性铰转角能力验算结果表（单位：ｒａｄｌ 式墩与独柱墩墩底塑性铰转角变形及剪力基本接 近，说明屈服后两者墩底性能基本一致。根据桩基 础验算结果，在Ｅ２地震下横桥向，两种桥墩桩基 均发生屈服，不能满足能力保护构件设计要求，需 要加强桩基础设计。 ５结论 通过以上分析，可以得到以下主要结论： （１）两种桥墩的动力计算模型第一阶振型均 是主梁的纵飘振型，但是门式墩模型周期较独柱 墩短，且门式墩横向振型出现阶数较高。 （２）门式墩和独柱墩上下横梁均未发生损伤 进入屈服状态，说明横梁设计符合能力保护构件 设计要求。 （３）反应谱分析地震反应，总体上门式墩比独 柱墩大。独柱墩立柱在Ｅｌ地震作用下仍处于弹性 状态，在Ｅ２地震下仅墩底发生屈服；门式墩立柱部 表７ Ｅ２地震墩底截面塑性铰位置抗剪能力验算结果表 （单位：ｋＮ） 分关键截面在Ｅｌ地震下已发生损伤，在Ｅ２地震 下，除上层柱顶纵向未屈服以外，其余均发生屈服。 （４）非线性时程分析表明，两种桥墩的塑性铰 转角变形及抗剪性能比较接近，且均能满足抗震 要求。 参考文献 ［１］孙建渊，陈阶亮．城市桥梁双层交通的概念设计『ＪＪ．桥梁建设， 通过表６、表７所列的验算结果可知，在反应 谱分析发生屈服的桥墩墩柱，发生的最大塑性转 角小于容许的塑性转角，表明变形是满足要求的。 ２００６，（２）：３９—４２． ［２］张洁，李建中，管仲国．双层高架桥拟静力实验研究ＩＪ］．结构工 程师，２０１２，２８（６）：１２８—１３３． ［３彭天波，李建中，范立础．能力设计方法在双层高架桥梁抗震 ３１塑性铰位置的墩身抗剪能力都满足抗震要求。门 七 七七七七七 电 七七七七七 七七七七．ｔｏ 设计中的应用 ．世界桥梁，２００９，（１）：１２—１５． 电七七七七七七七七 七 七七－ｑ七 七 七七 七七 七电 电七 七七七电七七七 七七七电皇七电电电电 七七七七七七七－６＂４＂七士七七七七电七七 七电 （上接第８７页） 向在地震作用下的反应特点，借助于有限元分析 程序Ｓａｐ２０００，提出了多自由度等效线性化方法， 主要得到以下结论： （１）随着桥墩屈服程度的增加，实际梁墩刚度 比增大，主梁位移形状越来越趋向于直线； （２）多自由度等效线性化方法不需要Ｋｏｗａｌｓｋｙ 方法的多自由度与单自由度体系之间的互相转化 过程，步骤简单，计算结果与非线性时程方法接 近，并能基本包络非线性时程方法位移的最大值， 该方法合理可行。 参考文献 ｎｅｘｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｄｅｓ［Ｍ】．Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ｉｎｔｏ ｔｈｅ Ｎｅｘｔ Ｃｅｎｔｕｒｙ，Ｂａｌｋｅｍａ：Ｂｏｏｔｈ，１９９８． ［３］Ｓｏｚｅｎ Ｍ Ａ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ Ｒ Ｃ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ａ ｖｉｅｗ ｔｏ ｄｒｉｆｔ ｃｏｎｔｒｏｌ 【ＡＪ．Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ａｒｔ ｉｎ Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ【Ｃ】，１９８ｌ，Ａｎｋａｒａ：３８３－４１８． ［４］Ｃａｌｖｉ ＧＭ，Ｋｉｎｇｓｌｅｙ ＧＲ．Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｄｅｇｒｅｅ—ｏｆ－ｆｒｅｅｄｏｍ ｂｒｉｄｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｕｃｒｔｕｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ［Ｊ］，１９９５，（２４）：１２４７￣１２６６． ［５］Ｍｅｒｖｙｎ Ｊ．Ｋｏｗａｌｓｋｙ．Ａ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ—ｂａｓｅｄ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｎ ｏｆ ｃｏｎｔｇｉｎｕｏｕｓ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｒｉｄｇｅｓ［Ｊ１．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２００２，（３１）：７１９－７４７． 【６】黄建文，朱唏．以位移为基础的钢筋混凝土连续梁桥抗震设计方 法【Ｊ］．中国公路学报，２００５，１８（２）：２８—３３． ［７】郭磊．桥梁结构基于位移的抗震设计方法研究［Ｄ］．上海：同济 大学，２００６．２２—２４． ［８］ＪＴＪＯ０４－－８９，公路工程抗震设计规范［ｓ］． 【１１ Ｍｉｌｌｅｒ，Ｄｕａｎｅ Ｋ．Ｌｅｓｓｏｎｓ ｌｅａｒｎｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ［Ｊ】．Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｏｒｌｄ，Ｌｅ Ｓｏｕｄａｇｅ Ｄａｎｓ Ｌｅ Ｍｏｎｄｅ，１９９６，３８： ２５７－２７６． 【９陈亮，９】李建中，张文学．梁墩刚度分布对连续梁桥横桥向规则 性的影响【Ｊ１＿同济大学学报，２００７，３５（９）：１１７５—１１８０． ［２］Ｆａｊｆ．ｒ Ｐ．ａｎｄ Ｋｒａｗｉｎｋｌｅｒ Ｈ—Ｓｅｉｓｍｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ
