山区梁桥高墩的抗震概念设计

山区梁桥高墩的抗震概念设计

李睿1 俞进2 杨忠恒3 杨清

（1.昆明理工大学建筑工程学院 2.云南华能澜沧江水电有限公司

3.云南省公路规划勘察设计院思茅分院）

摘 要：本文对在山区梁桥高墩的抗震概念设计进行了研究，并通过工程实例进行分析比较，

提出了高烈度地震的山区的梁桥高墩在选型上应注意的一些问题。

关键词：高墩 选型 抗震 概念设计

0 引言

随着我国公路建设的发展，高桥墩日益增多，尤其是我国西南、西北山区公路和铁路

的兴建，由于其地形、地貌条件，使得越来越多的高墩在这些地区得到广泛应用，且墩高

也越来越高。山区公路建设，由于地形复杂，山高坡陡，很多桥梁不得不跨越河谷和深沟，

这些桥梁有许多采用跨径20～50m不等的简支梁桥或者2～7跨一联的连续梁桥，或者是

大跨度连续刚构，其桥墩高度通常高达数十米甚至上百米。以后随着高等级公路建设的加

快，高桥墩的应用还会越来越多。

国内外缺乏高桥墩经受高烈度地震的经验，故受震害后修复困难，这样一来，会影响

地震后生命线的畅通，给地震区带来次生灾害。为避免高烈度地震高墩发生无法修复的破

坏，就必须重视桥梁结构的“概念设计”，从结构选型开始就对高桥墩的抗震性能进行考

虑。合理的结构形式和成功的抗震设计可以大大地减轻甚至避免震害的产生。

1 抗震概念设计[1,2,3,4,5]

上世纪70年代以来，人们在总结大地震灾害经验中发现，对结构抗震设计来说，“概

念设计”比“计算设计”更为重要。抗震概念设计是基于震害经验建立的抗震基本设计原则

和思想，就是以工程概念为依据从有利于提高结构抗震能力的概念上，用符合工程客观规律

和本质的方法，对所设计的对象作宏观的控制。作为抗震设计，应从概念设计着手。概念设

计包括桥位的选择、桥型方案的选择、上部结构和下部结构形式的选择、结构连接的选择以

及配筋方式的选择等。

桥梁结构是否能够满足抗震设计的要求，结构体系的选择正确与否是关键所在。桥梁

设计经常受到很多非抗震因素的制约，如桥宽、桥长、平竖曲线、跨数、几何约束等会受到

交通流量和地形地貌的限制，在抗震概念设计中有时候无法对这些因素进行修改。而桥墩的

型式的选择却是比较灵活的，桥墩的型式也是影响桥梁结构地震响应的主要因素之一。

山区公路的特点是弯道多，平、竖曲线的半径往往比较小，这就决定了山区桥梁的特

点。山区桥梁一般是变墩高的曲线桥，

结构极不规则。曲线桥梁的几何形状会 影响其地震响

应，在横向地震作用下，即使独柱桥墩，也会产生轴向力。而结构的不规则，会使得桥梁受

力更为复杂，这对于高墩的受力影响更大。

在地震作用下，当高墩与矮墩耦合时，矮墩的地震力非常大，有可能会造成矮墩的提

前破坏；而当高墩与矮墩不耦合时，则可能会导致高墩的地震位移过大，导致上部结构的落

梁或者支座脱位。因此，高墩的选型和设计对全桥在地震作用下的安全有着重要的意义。

2 高桥墩的类型及特点

大跨度连续刚构桥的桥墩一般用单枝或者双枝双薄壁墩，关于这些类型的桥墩的抗震

问题，人们在对大跨度连续刚构桥抗震问题进行探讨时作了大量的研究。本文所讨论的是高

烈度地震区梁桥高墩的选型和设计问题，因为梁桥在我国桥梁建设中占了90%以上的比例，

在我国西南、西北地区，由于地形和地貌的限制，梁桥的桥墩会非常高，墩高为50~100m

的高墩非常多，而因为这些桥梁都是简单的梁桥，这些高墩的抗震问题却大量的被忽视了。

事实上，这些高墩的概念设计是非常重要的。

在西南山区，梁桥的墩高在30m以内时，往往双圆柱墩用得比较多（图1(a)），当墩高

比较高，超过30m以后，往往采用独柱T型墩、空心薄壁墩、门架墩（门架墩与普通双柱

墩的区别是门架墩的墩柱横向刚度大、盖梁与墩柱固结，而普通双柱墩的墩柱横向刚度小、

盖梁与墩柱按铰接考虑）等桥墩型式，如图1所示。这些桥墩型式都具有自身的特点，在高

烈度地震区的选用应该慎重。

(a) 双柱墩 (b)独柱T墩 (c)空心薄壁墩 (d)门架墩

图1 桥墩型式

Fig.1 Style of pier

独柱T墩一般采用预应力悬挑式盖梁与刚度较大的墩柱相结合，在桥墩高度不大于60m

时采用较多，其特点是截面挖空率比较小，截面横向尺寸比较小，因此横桥向截面刚度较小。

空心薄壁墩往往在桥墩高度小于80m时采用，其型式与独柱T墩从外观上比较接近，但是

截面横桥向尺寸比较大，因此，桥墩横向刚度较大。门架墩往往在桥墩高度不大于90m时

采用，特殊情况下甚至其桥墩高度近100m，但是其横向刚度有时候不够大。

3 工程实例

省道309线思茅～澜沧江二级公路抗震设防烈度要求为9度，其中有些桥梁因跨越深谷，

很多桥墩高40m以上。因此，该路段的桥墩的概念设计显得尤为重要，必须经过良好的概

念设计和抗震分析，才能保证其在运营状态和地震作用下的安全。

本文选取该路线上的一座桥进行动力分析和比

较，以反映桥墩选型对结构的动力响应的

影响。

3.1 桥墩选型

与其它山区

桥梁一样，本桥也是位于平曲线上，对于位于平曲线上的桥梁，在地震发

生时，桥墩的地震响应为弯扭耦合震动，桥墩的截面形式要求具有较好的抗弯刚度和抗扭刚

度，且抗弯刚度要求在各个方向都要满足要求。普通双柱墩横向抗弯刚度较好，但是纵向抗

弯刚度较差，且抗扭刚度更差。加之当桥墩墩高达到一定高度以后，双柱墩在弯矩、剪力、

轴力的共同作用下，很容易发生墩柱的失稳破坏。独柱T墩和空心薄壁墩都具有各方向抗

弯刚度都比较大、抗扭刚度大、整体性好等优点。门架墩的刚度比普通双柱墩稍好，但是整

体性稍微差一些。因此，从初步选型来考虑，独柱T墩和空心薄壁墩有一定的优势。

3.2 动力分析

思茅~澜沧江二级公路上某桥，位于半径为90.797m的平曲线上，该桥刚好位于圆曲线

段。桥梁上部结构由5片主梁组成，桥宽10.5m，纵向为桥面连续结构，4孔一联，共2联。

下部结构分别采用上述四种桥墩进行分析，桥墩的尺寸先根据静力计算来确定。采用双柱墩

时，墩柱直径采用1.6m；采用独柱T墩时，其桥墩为矩形空心截面，截面尺寸为顺桥向墩

顶外围尺寸1.6m，从上往下以1:80的坡度变化，如图2(a)所示，横桥向3.2m，壁厚为0.4m；

采用空心薄壁墩时，其顺桥向尺寸与T墩相同，如图2(b)所示，而横桥向外围尺寸为6m，

壁厚为0.3m；采用门架式高墩时，墩柱顺桥向墩顶外围尺寸1.4m，两面斜坡度100:1，空

心段横桥向两侧壁厚等厚25cm，顺桥向壁厚随高度增厚，如图2(c)所示。

(a)T墩顺桥向尺寸 (b)空心薄壁墩顺桥向尺寸 (c)门架墩顺桥向尺寸

图2 桥墩顺桥向尺寸(单位：cm)Fig.2 Size in direction along the centerline of bridge of piers

计算采用全桥建模，其采用各种桥墩的有限元离散模型如图3所示。

(a) 双柱墩计算模型

(b) 独柱T墩和空心薄壁墩计算模型

(c) 门架墩计算模型

图3 桥梁空间计算模型

Fig.3 Spatial calculation modal of bridge

3.2.1 自振特性

采用各种不同的桥墩型式时，桥梁的前3阶自振特性频率见表1。

表1 前3阶振型频率和周期

Tab.1 The frequency and period of the first 3 mode shape

振型阶数 1 2 3 空心

薄壁墩

自振周期(s) 0.727853 0.601369 0.488319

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hwph.html