墩柱不同类型对结构地震响应影响的比较研究
摘要以北京市某一典型的高架桥为例，对下部结构采用不同的墩柱类型对结构地震响应的影响进行了分析研究，分别采用单柱墩，双墩柱分离式和双墩柱合并式三种类型对墩柱结构进行模拟，并基于MIDAS有限元软件对三种不同墩柱形式下的地震响应情况进行了分析，得到了三种结构类型下在撴底和墩顶以及盖梁下的结构响应值和位移响应。分析表明双墩柱合并式极易发生屈曲破坏，单墩柱极易发生剪切破坏，从受力角度，双墩柱分离式的桥梁为最优的选择。从位移角度，双墩柱合并式为最优选择。
关键词 高架桥 墩柱 地震作用 MIDAS有限元软件 1 引言
地震问题近几十年内一直被探讨，尤其是震后的交通线路如桥梁等，由于前期设计没有考虑到位，导致救援工作无法及时开展。因此，桥梁对地震响应的优化设计和方案选择是桥梁结构设计的重要步骤。本文以桥梁墩柱不同的结构形式为例，结合北京市一典型的城市高架桥，针对其上部不同的墩柱结构形式，对地震作用下结构的地震响应进行比较，说明了墩柱不同结构类型之间的差别，分析结果可供设计人员参考。［1］
2 工程概况
北京市某高架桥全长约为8000m，全桥共263孔，标准跨径为30m，共185孔，最小跨径25m，最大跨径68m，主线高架桥标准横断面桥宽24.8m，为双向六车道，现在取本沿线高架桥部分地区的某一四跨混凝土连续梁桥进行研究，其跨径组合30+30+30+30m。主梁采用C50混凝土，采用10cm厚沥青混凝土的桥面铺装，防撞栏每道为9.5kN/m，共设三道。桥墩为1.2×1.35m的实心钢筋混凝土截面，横向间距4.05米，采用C30混凝土。采用桩基础形式。墩的钢筋布置为长边8根直径25mm的HRB335钢筋，短边7根直径25mm的HRB335钢筋。箍筋为12mm的钢筋，箍筋间距：墩底塑性铰区域为0.1m，其他为0.2m。该区域的抗震烈度为8级，结构重要性系数为1.3，地震加速度峰值为0.2g，特征周期为0.35s，为II类场地，阻尼比为0.05，此桥为B类桥梁。
3有限元模型和地震波输入
3.1有限元模型
本文根据选定典型连桥结构的特点建立结构动力特性和地震反应分析的有限元模型。上部墩柱分别建立了三种不同类型的结构，分别为单柱墩，双墩柱分离式和双墩柱合并式三种形式，主梁采用空间梁单元进行模拟，2-3m一个单元，下部结构桥墩采用梁单元模拟。支座采用普通板式橡胶支座（中墩采用GYZd800×148，边墩采用GJZ400×500×84）；撴底考虑桩基础的影响，将桩基础用梁单元进行模拟，土对桩的作用采用沿桩长均匀分布的集中小弹簧单元模拟，
弹簧单元的参数参考了m法进行计算。另外，本模型是在E2条件下并且横向固定下进行的时程分析，通过直接积分法进行非线性分析，有限元单元模型如下图：
图1 墩柱为单柱墩模型 图2 墩柱为双墩柱分离式模型图3 墩柱为双墩柱合并式模型
3.2 地震波输入
根据实际场地的反应谱进行人工合成地震波，最终地震反应结果取人工合成的7条波的平均值，左图为7条人工波中的一条。
图4 人工波一
4 不同墩柱结构形式地震响应的比较
为了比较墩柱的不同结构形式对结构地震响应的影响，依据前述的高架桥算例，对三种不同结构类型进行结构地震动力响应的分析。
4.1盖梁地震响应的比较
根据图建立的动力分析模型，进行结构的时程分析，表1给出两种模型下墩柱的地震响应计算结果。
表1 盖梁结构地震响应
从表1可以看出：
（1）当选择双墩柱合并式时在同样的地震作用下响应最大，弯矩剪力都达到了最大值；
（2）在同样的地震作用下双墩柱分离式的剪力和弯矩都为最小；
（3）单墩柱介于其他两种选择之间，但是地震响应相对于单墩柱还是比较大。
综上，从盖梁的地震响应情况来看，双墩柱合并式无疑是最为危险的墩柱结构形式，双墩柱分离式相对来说为最优选择。
4.2墩柱地震响应的比较
根据图建立的地震分析模型，进行结构的时程分析，表2和表3给出两种模型下墩柱的地震响应计算结果（包括墩顶和撴底的响应）。
表2撴底结构地震响应
表3 墩顶结构地震响应
从表2和表3列出的墩柱结构响应可以看出：
（1）在撴底：弯矩最小为单墩柱，但是单墩柱的剪力最大，极易发生剪切式的破坏，形成类似短柱的剪切破坏；剪力，轴力最小的为双墩柱分离式，尽管弯矩相对较大但是和双墩柱合并式相比，仍然具有优势；双墩柱合并式的轴向力轴向力和弯矩都较大，极易发生屈曲破坏。可见，双墩柱分离式算是较为优化的选择。
（2）在墩顶，单墩柱不用考虑地震响应，只需对比分析双墩柱分离式和合并式两种结构形式，很明显，双墩柱分离式在轴力，弯矩和剪力响应都为最小，是最优化的选择。
4.3 位移响应(最大位移)的比较
图5单墩柱（1.13E-02m） 图6单墩柱分离式(4.85E-03m) 图7双墩柱合并式(3.80E-04m)
从上面可以看出：双墩柱合并式位移最小，单墩柱位移最大。
5 结论
对于本算例高架桥，我们可以发现，在三种不同结构形式的墩柱下，地震的响应是不同的，而且有很大的差异性；
双墩柱合并式极易发生屈曲破坏，单墩柱极易发生剪切破坏；
双墩柱合并式位移最小，单墩柱位移最大，双墩柱分离式较小；
（4）从受力角度说，双墩柱分离式的桥梁相对为最优的选择。从位移响应角度，双墩柱合并式为最优。
参考文献
王媛媛,王志强,魏红一,.《主梁不同模型对结构地震响应影响的比较》[J]. 结构工程师,2009,6.
