中小跨径桥梁柱式桥墩系梁设计的一些探讨

白伟

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

西部山区高速公路桥梁通常采用中小跨径双柱式或多柱式桥墩结构形式，受地形、地貌限制，桥墩墩柱普遍较高，对于墩高较高的柱式桥墩基本都采用了横系梁设置，以加强结构的横向整体性；西部山区桥梁大多都处在地震高烈度区，系梁应具有合理的抗震性能设计，才能起到保护墩身结构安全的“保险丝”单元作用。目前关于系梁的论文研究，大多集中在双肢薄壁高墩系梁与常规跨径柱式桥墩系梁的计算模拟上，大多从系梁设置位置、系梁设置数量、系梁设置刚度等方面模拟研究了某单个桥梁系梁对桥墩抗震性能的影响，并选择最佳设置方案[1-2]，很少从规范的角度出发依托整个山区项目，结合实际地形地貌来研究系梁的合理设置，并且很少研究系梁的抗震配筋设计。

1 研究背景

对于中小跨径桥梁，柱式桥墩系梁的设置是必不可少的一个环节，但在设计过程中存在随意性，系梁设计不合理现象时有发生，对于系梁设置的不规范现象，归纳总结主要有以下3 个方面。

第一，系梁设置过多，犹如“天梯”，其必要性存疑，视角效果差，如图1 所示。目前也有工程实例，墩高也就30 m 左右，而柱系梁设置则达到4 道或者更多。过多的设置柱系梁不知是否有必要，而且过多的设置柱系梁在视觉上效果较差，不美观。产生以上柱系梁设置现象的原因，笔者认为是老规范JTG/T B02—01—2008《公路桥梁抗震设计细则》[3]（以下简称“08细则”）规定的不明确，该规范第11.4.7 条规定“在8度区，高度大于7 m 的柱式桥墩和排架桩墩应设置横系梁”，在设计过程中，有人认为该规定仅适用于8度及8 度以上的地震区，且仅对桩顶系梁进行了规定，不适用于柱间系梁，远不适应现在高度达30～40 m甚至更高的柱式高墩的设计需要，也有人认为应沿墩身高度方向按7 m 间距设置一道柱系梁，正因为规范规定的不明确及设计人员对规范规定的理解不一致而导致上述系梁设置问题的出现。

图1 系梁设置道数过多，视角效果差

第二，各墩系梁参差不齐，景观差，如图2 所示。目前大多工程中都存在左右幅桥梁柱系梁位置的不协调，造成左右幅桥墩系梁参差不齐，景观效果差，笔者认为造成该问题的主要原因也是规范规定的欠缺，不论是老规范“08 细则”还是JTG D63—2007《公路桥涵地基与基础设计规范》[4]（以下简称“07 桩规”），都未对系梁设置位置做规定，设计上大多都按照设计原则来设计柱系梁道数及位置，未考虑左右幅相邻墩系梁位置的协调性。

图2 系梁参差不齐，景观差

第三，系梁在地震过程中的破坏状况严重，如图3所示。在地震过程中，系梁作为耗能构件，地震过程中应先使系梁耗能屈服，以保证桥墩的完整或者不至于倒塌，但在以往地震中，往往会出现系梁墩柱节点处系梁破坏墩柱也破坏，或者系梁未破坏而墩柱出现破坏，笔者认为这主要是系梁的刚度尺寸选择及配筋设计不合理导致的，JTG D62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[5]（以下简称“04 公规”）及“07 桩规”对系梁的尺寸选择只给了一个范围，对系梁纵筋、箍筋设置只给了一个最小配筋设计，而设计上都是套用设计原则和以往设计经验，使用系梁尺寸及配筋图，没有一个定性的分析方法，故造就了随意的系梁尺寸选择及钢筋配置，对桥墩抗震反而不利，应在结合规范尺寸的前提下，进行系梁钢筋设计的“强柱弱梁、强剪弱弯”定性分析验算。

图3 系梁地震破坏状况

2 相关问题的探讨

系梁的设置不仅可以增强桥梁结构整体性，还可以提高桥梁结构抗震性能，合理设计系梁能够使系梁在地震动作用下起到“保险丝”单元的作用， 保护墩身结构的安全，而不合理的系梁尺寸选择及钢筋配置反而对桥墩抗震不利[6]，根据现行规范的规定及实例工程中的设计情况，笔者就以系梁道数设置、系梁位置设置、系梁刚度设置、系梁配筋设计4 个方面谈谈自己的一些理解与看法。

2.1 系梁道数设置探讨

目前实例工程中，当墩高大于35 m 时一般会采用空心薄壁墩或者其他形式的桥墩，对于墩高H≤35 m时，一般选择柱式桥墩，柱间系梁的选择一般为：当墩高H＜10 m 时，不设柱间系梁；当墩高10 m≤H＜20 m 时，只设置一道柱间系梁；当墩高20 m≤H＜30 m时，设置两道柱间系梁；当墩高H≥30 m 时，设置三道柱间系梁。不同设计院设计原则会有差别，但跟以上柱系梁设计原则大同小异，这种设置方式也和JTG/T 2231—01—2020《公路桥梁抗震设计规范》[7]（以下简称“20 公路抗规”）第11.3.6 条规定保持一致，新规范“20 公路抗规”相比旧规范“08 细则”增加了系梁道数的设置，故笔者建议系梁设置道数保持和新规范一致。

2.2 系梁设置位置探讨

目前相关规范并没有规定柱系梁位置的设置，当只需要设置一道柱系梁时，随着系梁设置高度的降低，自振频率先增大后减小，地震位移先减小后增大，当系梁设置在墩柱中心时，自振频率最大，地震位移最小，系梁的地震弯矩最大，可以在地震时首先进入塑性状态，以消耗地震能量达到抗震效果，故设置一道系梁时可以将桥墩系梁设置在墩柱中心[8-9]；设置两道柱系梁，且柱系梁沿墩柱高度方向比较均匀地布置时，对钢筋混凝土曲线梁桥的整体地震反应最为有利[10]，这也和以往设计经验相吻合（设计经验中一般也按均分墩高设置）；当设置三道柱系梁时，结构受力和设置两道系梁时规律相似，系梁也可按墩高均分设置。

综合2.1、2.2 的讨论，笔者认为系梁的道数及位置设计在结合计算分析及设计原则的基础上，还应全方位考虑左右幅相邻桥墩系梁位置设置的协调性，综合选择系梁道数及位置，保证桥梁运营期的美观性。

2.3 系梁设置刚度探讨

在横向地震作用下，双主墩弯矩受力简图如图4所示。由图4 可知，无系梁时，双主墩墩顶、墩底弯矩最大，反弯点基本在墩中心；设置系梁时，不管是设置一道系梁还是两道系梁，墩身的弯矩分配都发生显著变化，且在系梁和墩柱相接节点处，系梁所承受的弯矩始终为节点上、下墩身弯矩之和，即M1+M2=M3，系梁承受弯矩大于节点处墩身弯矩，同时地震时在双柱式墩产生的竖向力在无系梁时由盖梁剪力承担，而在有系梁时该竖向力由盖梁剪力+系梁剪力共同承担，这就使墩顶、墩底弯矩有所减小，由上述分析可知，在地震作用下系梁先屈服耗能以保证桥墩的结构安全是可行的，考虑到实际地震动下结构失效路径的复杂性，系梁的抗弯刚度比墩身的抗弯刚度小比较好。

图4 横桥向地震下双柱墩弯矩图

文献[11]的研究结果表明，当系梁的宽度取0.6D、0.75D，高度取0.7D、0.85D（D为墩柱直径）时，对结构抗震最有利；文献[12]对设置横系梁的双柱式桥墩地震易损性进行了分析，分析得出当随着系梁与墩柱的刚度比逐渐增大时，墩柱的破坏概率逐渐减小，当刚度比大于0.54 时，墩柱破坏概率大幅降低，再增大系梁尺寸意义不大，故选取刚度比在0.54 附近较好；笔者对JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[13]（以下简称“18 公规”）给的系梁选取尺寸进行了刚度对比分析，当系梁宽度、高度系数分别取规范规定范围的下限值时，即宽度系数取0.6、高度系数取0.8，系梁抗弯刚度I1=bh3/12 与墩柱的抗弯刚度I2=πd4/64 比值为0.52，依据以上分析，笔者建议系梁的刚度尺寸可以选取规范规定的下限值，即系梁宽度取0.6D，高度取0.8D。

2.4 系梁配筋设计探讨

目前现行规范只针对构造的系梁配筋规定了一个最小配筋设计，处于Ⅵ度区桥墩设置系梁只满足了构造钢筋的配置，但对处在高震区的桥墩，若按照规范规定的配筋，笔者认为不太妥当，处在高震区的系梁应按照“强柱弱梁，强剪弱弯”的设计理念进行设计；系梁相对于桥墩来说，其抗弯承载力应比墩柱抗弯承载力小，这才能保证系梁先屈服耗能；系梁应按抗剪能力保护构件设计，抗弯按塑性理念设计，保证系梁“强剪弱弯”。

针对系梁与墩柱“强柱弱梁”延性设计、系梁“强剪弱弯”抗弯延性设计、抗剪能力保护设计，笔者提出以下计算公式以方便定性分析系梁、墩柱配筋设计。对于系梁与墩柱“强柱弱梁”延性设计，参照“20 公路抗规”，按能力保护方法计算双柱和多柱墩盖梁弯矩设计值的思想，系梁与墩柱节点处墩柱的弯矩设计值引入极限弯矩超强系数φ0进行调整：

式（1）中：∑Mс为考虑地震组合的系梁上、下柱端的弯矩设计值之和；φ0为极限弯矩超强系数，取1.2；Mu为按截面实配钢筋，采用材料强度标准值计算出的系梁端部极限弯矩值。

式（1）反映了通过对系梁端部弯矩进行调整，以调整后的弯矩值作为系梁上下墩柱的弯矩设计值，以达到系梁与墩柱“强柱弱梁”的延性设计，式（1）在另一方面还可以反映在设置系梁进行抗震设计时，与系梁相邻的上下墩柱按能力保护构件设计（在系梁破坏以前），这也和地震作用下保证系梁先屈服耗能相适应。

系梁抗剪按能力保护构件设计，参照盖梁能力保护剪力设计值计算公式，并考虑系梁重力荷载下的剪力设计值，公式可修正如下：

式（2）中：Vс0为系梁剪力设计值；为按截面实配钢筋，采用材料强度标准值计算出的系梁左端极限弯矩值；为按截面实配钢筋，采用材料强度标准值计算出的系梁右端极限弯矩值；Ln为系梁两端塑性铰中心的距离，可取系梁净长度；VGb为重力荷载下系梁的剪力设计值。

由于桥涵设计相关规范对系梁抗剪验算未做相关规定，笔者建议参照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[14]（以下简称“10 混规”），引用“10 混规”在地震作用下框架梁的斜截面抗剪验算式，考虑到地震破坏传力路径的复杂性，系梁在地震剪切破坏时材料强度可能未达到设计强度，引入了抗剪强度折减系数Φ对公式做了简单修正，用修正后的公式对系梁的抗剪箍筋进行一个定性的计算分析，偏于安全。

式（3）中：Φ为抗剪强度折减系数，取0.85；αсv为斜截面混凝土受剪承载力系数，取0.7；ft为混凝土抗拉强度设计值，按“10 混规”取值；b为系梁宽度；h0为系梁截面有效高度；fyv为箍筋抗剪强度设计值；Asv为配置在同一系梁截面内箍筋各肢的全部截面面积；s为箍筋沿系梁长度方向间距。

系梁的设置可以有效减小墩柱的弯矩、系梁的先屈服耗能，在整个地震动过程中，延缓了墩柱塑性屈服的时间，为墩柱尽可能地保持完整提供了条件。以上公式说明：在系梁破坏前，系梁抗弯是塑性设计，抗剪是能力保护设计，桥墩墩柱抗弯、抗剪是能力保护构件设计；当系梁屈服破坏后，可认为此时无系梁，桥墩墩柱抗弯应按延性设计，抗剪按能力保护构件设计，故对墩柱的设计应取系梁破坏前设计和系梁破坏后设计的较大值。

3 结论与建议

笔者从规范及实例工程角度出发，对桥墩系梁的设置位置、刚度、道数及配筋进行了探讨，并给出自己的理解与建议，总结如下。

对于系梁道数的设置，结合以往项目设计经验及“20 公路抗规”的新规定，笔者建议按照规范的规定选择系梁道数。

从桥墩抗震结构受力层面来说，桥墩系梁位置的选择可以根据系梁设置道数均分桥墩高度H设置，对于单幅桥或墩高相差不大的双幅桥是适应的，对于处在横向陡坡上左右桥墩高差相差较大的桥墩系梁，为了保证左右桥墩系梁位置的协调性，可以根据受力做进一步调整，将左右系梁设置在一个水平面上，以增加横向美观性。

对于系梁刚度尺寸的选择，考虑到实际地震动下结构失效路径的复杂性及相关论文的研究成果，建议系梁的刚度尺寸可以选取“18 公规”规定的下限值。

对于桥墩系梁的抗震配筋，笔者从桥墩系梁的作用及破坏机理出发，给出系梁抗弯延性设计，抗剪能力保护设计的系梁剪力设计值确定及验算公式，引入了极限弯矩超强系数φ0，给出了桥墩与系梁“强柱弱梁”延性设计时桥墩弯矩设计值的调整公式；引入以上公式可以定性计算分析系梁设计的合理性。