铁路混凝土桥梁抗震设计与试验研究：考虑墩高变化的结果

7.7.1.1　单线桥

1.纵桥向地震波输入时隔震效率

在纵桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩顶纵向位移如图7.7-2所示。在同等墩高的情况下，普通支座体系墩顶位移比摩擦摆支座体系的位移要大，并且两类支座体系的墩顶位移都随着墩高的增加而增加，这主要因为随着墩高的增加，桥墩的刚度降低，在同等地震作用下位移变大。

图7.7-2　单线桥等截面桥墩墩顶纵向位移

墩高在4～8 m时，墩顶纵向位移隔震效率随着墩高的增加而增加；墩高在8～20 m时，墩顶纵向位移隔震效率随着墩高的增加而降低。如图7.7-3所示，这可以通过反应谱的概念去解释。

图7.7-3　单线桥等截面桥墩墩顶纵向位移隔震率

反应谱采用“地震荷载”的概念，它通过理想简化成单自由度体系的地震响应来描述地震动特性，使用加速度时程曲线，对一组具有不同自振周期和一定阻尼比的单自由度弹性体系计算出最大加速度反应值与结构周期的关系曲线。将50年超越概率为10%的21条地震波转为反应谱，并计算出平均反应谱。如图7.7-4所示，墩高在4～8 m的桥梁结构自振周期在0.3～0.39 s范围内，此时对应的加速度值在反应谱的平台段，也就是结构反应强度几乎不随着墩高变化而变化。而当墩高在8～20 m范围内，结构自振周期在0.39～1.2 s范围内，结构反应强度随着墩高增加而变小。但是摩擦摆支座体系的支座刚度比普通支座体系的支座刚度要小，自振周期都比普通支座体系的要大得多。因此当墩高在4～8 m时，摩擦摆支座体系随着墩高增加而反应变小，而普通支座随着墩高的增加反应几乎不变，所以墩顶位移隔震率随墩高增加而增加。当墩高在8～20 m时，加速度反应谱都处于下降段。下降段一开始随着周期的增加下降得较快，但之后下降趋势变缓。因此，隔震效率随墩高增加而降低。

图7.7-4　单线桥不同墩高桥梁的加速度反应谱

在纵桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的支座位移如图7.7-5所示。普通支座体系取滑动支座的位移，在墩高为4～8 m范围内，支座位移普遍较大。这是由于当桥墩较矮时，墩的刚度远远比支座的刚度大，支座容易屈服甚至是破坏；而随着墩高增加，桥墩的刚度降低，普通支座不易被破坏。对于摩擦摆支座体系，支座位移随墩高的增加并没有太大的变化。这主要由于桥墩墩高增加时，虽然墩底加速度一样，但是墩顶的加速度在增加，摩擦摆支座位移随墩顶加速度增加而增加。但是墩高增加，桥墩变柔，摩擦摆支座位移也会随墩高增加而变小，所以对支座位移来说，墩高的增加影响并不大。摩擦摆支座的位移在各个墩高下，对不同的地震动反应差别很大，说明摩擦摆支座纵向位移对不同特性的地震动敏感性较强。

图7.7-5　单线桥等截面桥墩支座纵向位移

在纵桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的主梁位移如图7.7-6所示。普通支座体系的主梁位移随着墩高的增加而增加。摩擦摆支座体系在墩高为4～10 m时，变化不明显；当墩高继续增加时，主梁位移也随着增加。这主要因为摩擦摆支座体系的支座位移随着墩高的增加变化不明显，但在墩高4～10 m时，支座位移远远大于墩顶位移，因此主梁位移变化也不明显。当墩高继续增加时，墩顶位移变大，主梁位移也就随着墩高的增加而变大。

图7.7-6　单线桥等截面桥墩主梁纵向位移

在纵桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底弯矩如图7.7-7所示。普通支座体系的墩底弯矩在墩高为4～10 m时，随着墩高的增加，弯矩变大，但是随着墩高继续增加，墩底弯矩变化不明显。摩擦摆支座体系的墩底弯矩随着墩高的增加而变大。这主要因为当墩高为10 m时，普通支座体系的墩底弯矩已经达到10 000 kN·m，见图7.7-8，当墩底弯矩达到10 000 kN·m时，桥墩底部已经进入塑性阶段，随着外力增大，底部的弯矩不会过大增加。而摩擦摆支座体系的墩底弯矩都小于10 000 kN·m，并没有屈服，因此墩底弯矩随着墩高的增加而变大。

图7.7-7　单线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩

图7.7-8　单线桥等截面桥墩墩底纵向弯矩-墩顶位移曲线

图7.7-9　单线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩隔震率

如图7.7-9所示，墩高为4～8 m时，单线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩隔震率随着墩高的增加变化不明显，当墩高继续增加，墩底弯矩隔震率也随之减小。这也和墩顶纵向位移隔震效率变化规律类似。

在纵桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底保护层混凝土压应变如图7.7-10所示。墩高为4～10 m时，普通支座体系的保护层混凝土压应变随着墩高的增加而变大，当墩高大于10 m时，保护层混凝土的压应变变化不明显。摩擦摆支座体系的混凝土压应变随着墩高的增加而变大。其原因和墩底弯矩相似，是由于当墩高为10 m时，墩底在地震作用下屈服。如图7.7-11所示，墩底保护层混凝土压应变隔震率也和墩顶纵向位移隔震效率变化规律类似。

图7.7-10　单线桥等截面桥墩纵向墩底保护层混凝土最大压应变

图7.7-11　单线桥等截面桥墩纵向墩底保护层混凝土压应变隔震率

2.横桥向地震波输入时隔震效率

在横桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的桥墩顶位移如图7.7-12所示。两类支座体系的墩顶位移都随着墩高增加而变大。普通支座体系的墩顶位移在相同墩高下比摩擦摆体系的大，说明摩擦摆支座在横桥向起到了隔震的效果。如图7.7-13所示，墩顶横向位移隔震率随着墩高的增加而降低。虽然结构的横向固有周期比纵向固有周期要小，结构刚度更大，隔震效率应该比较大；但是固有周期是在弹性范围内得出的，当桥墩高在6 m时，墩底就开始屈服，因此结构在地震动作用下固有周期变大，结构刚度变小，致使隔震效率降低。

图7.7-12　单线桥等截面桥墩墩顶横向位移

图7.7-13　单线桥等截面桥墩墩顶横向位移隔震率

在横桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的支座位移如图7.7-14所示。普通支座体系横桥向为固定，在墩高为4 m时，支座位移比较大，这是由于当墩较矮时，墩的刚度远远比支座的刚度大，支座容易屈服甚至是破坏。而随着墩高增加，桥墩的刚度变小，固定支座不易被破坏。对于摩擦摆支座体系，支座横向位移随墩高的增加并没有太大的变化。这主要由于墩高增加时，虽然墩底加速度一样，但是墩顶的加速度在增加，摩擦摆支座位移随墩顶加速度增加而增加。但是墩高增加，桥墩变柔，摩擦摆支座位移也会随墩高增加而变小，所以对支座位移来说，墩高的增加影响并不大。摩擦摆支座的位移在各个墩高下，对不同的地震动反应差别很大，说明摩擦摆支座横向位移对不同特性的地震动敏感性较强。

图7.7-14　单线桥等截面桥墩支座横向位移

在横桥向地震波输入的情况下，等截面桥墩单线桥普通支座体系与摩擦摆支座体系的主梁位移如图7.7-15所示。普通支座体系的主梁位移随着墩高的增加而增加。摩擦摆支座体系在墩高为4～10 m时，变化不明显；当墩高继续增加时，主梁位移也随着增加。在普通支座体系中，连接主梁与桥墩的为固定支座，支座刚度都很大，因此主梁位移与墩顶位移差别不大。

图7.7-15　单线桥等截面桥墩主梁横向位移

在横桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底弯矩如图7.7-16所示。普通支座体系的墩底弯矩在墩高为4～6 m时，随着墩高的增加，弯矩变大，但是随着墩高继续增加，墩底弯矩变化不明显。摩擦摆支座体系的墩底弯矩随着墩高的增加而变大。这主要因为当墩高为6 m时，普通支座体系的墩底弯矩已经达到14 000 kN·m，如图7.7-17所示，当墩底弯矩达到14 000 kN·m时，桥墩底部已经进入塑性阶段，随着外力增大，底部的弯矩不会过大增加。而摩擦摆支座体系的墩底弯矩都小于14 000 kN·m，并没有屈服，因此墩底弯矩随着墩高的增加而变大。

如图7.7-18所示，随着墩高增加，墩底弯矩隔震率随之减小。这也和墩顶横向位移隔震效率变化规律类似。

图7.7-16　单线桥等截面桥墩横向墩底弯矩

图7.7-17　单线桥等截面桥墩墩底横向弯矩-顶部位移曲线

图7.7-18　单线桥等截面桥墩横向墩底弯矩隔震率

在横桥向地震波输入的情况下，单线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底保护层混凝土压应变如图7.7-19所示。墩高为4～8 m时，普通支座体系的保护层混凝土压应变随着墩高的增加而变大，当墩高大于8 m时，保护层混凝土的压应变变化不明显。摩擦摆支座体系的混凝土压应变随着墩高的增加而变大。其原因和墩底弯矩相似，是由于当墩高为8 m时，墩底在地震作用下屈服。如图7.7-20所示，墩底保护层混凝土压应变隔震率也和墩顶横向位移隔震效率变化规律类似，随着墩高增加而降低。

图7.7-19　单线桥等截面桥墩横向墩底保护层混凝土最大压应变

图7.7-20　单线桥等截面桥墩横向墩底保护层混凝土压应变隔震率(www.xing528.com)

7.7.1.2　双线桥

1.纵桥向地震波输入时隔震效率

在纵桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩顶纵向位移如图7.7-21所示。普通支座体系墩顶位移在相同墩高的情况下比摩擦摆支座体系的位移要大，并且两类体系都随着墩高的增加，墩顶位移也增加，这主要因为随着墩高的增加，桥墩的刚度变柔，在同等地震作用下位移变大。如图7.7-22所示，墩高在4～8 m时，墩顶纵向位移隔震效率随着墩高的增加而增加；墩高在8～20 m时，墩顶纵向位移隔震效率随着墩高的增加而降低。这也可以通过反应谱的概念去解释。

图7.7-21　双线桥等截面桥墩墩顶纵向位移

图7.7-22　双线桥等截面桥墩墩顶纵向位移隔震率

如图7.7-23所示，墩高在4～8 m的桥梁结构自振周期在0.3～0.4 s范围内，此时对应的加速度值在反应谱的平台段，也就是结构反应强度几乎不随着墩高变化而变化。而当墩高在8～20 m范围内，结构自振周期在0.4～1.3 s范围内，结构反应强度随着墩高增加而变小。但是摩擦摆支座体系的支座刚度比普通支座体系的支座刚度要小，自振周期都比普通支座体系的要大得多。因此当墩高在4～8 m阶段，摩擦摆支座体系随着墩高增加而反应变小，而普通支座随着墩高的增加反应几乎不变，所以墩顶位移隔震率随墩高增加而增加。当墩高在8～20 m时，加速度反应谱都处于下降段。下降段一开始随着周期的增加下降得较快，但之后下降趋势变缓。因此，隔震效率随墩高增加而降低。

图7.7-23　双线桥不同墩高桥梁的加速度反应谱

在纵桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的支座位移如图7.7-24所示。普通支座体系取滑动支座的位移，在墩高为4～8 m范围内，支座位移普遍较大。这是由于当墩高较矮时，墩的刚度远远比支座的刚度大，支座容易屈服甚至是破坏；而随着墩高增加，墩的刚度降低，普通支座不易被破坏。对于摩擦摆支座体系，支座位移随墩高的增加并没有太大的变化。这主要由于桥墩墩高增加时，虽然墩底加速度一样，但是墩顶的加速度在增加，摩擦摆支座位移随墩顶加速度增加而增加。但是墩高增加，桥墩变柔，摩擦摆支座位移也会随墩高增加而变小，所以对支座位移来说，墩高的增加影响并不大。

图7.7-24　双线桥等截面桥墩支座纵向位移

在纵桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的主梁位移如图7.7-25所示。普通支座体系的主梁位移随着墩高的增加而增大。摩擦摆支座体系在墩高为4～10 m时，主梁位移随墩高的增加变化不明显；当墩高继续增加时，主梁位移也随着增加。这主要因为摩擦摆支座体系的支座位移随着墩高的增加变化不明显，但在墩高4～10 m时，支座位移远远大于墩顶位移，因此主梁位移变化也不明显。当墩高继续增加时，墩顶位移变大，主梁位移也就随着墩高的增加而变大。

图7.7-25　双线桥等截面桥墩主梁纵向位移

在纵桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底弯矩如图7.7-26所示。普通支座体系的墩底弯矩在墩高为4～10 m时，随着墩高的增加，弯矩变大，但是随着墩高继续增加，墩底弯矩变化不明显。摩擦摆支座体系的墩底弯矩随着墩高的增加而变大。这主要因为当墩高为10 m时，普通支座体系的墩底弯矩已经达到20 000 kN·m，如图7.7-27所示，当墩底弯矩达到20 000 kN·m时，桥墩底部已经进入塑性阶段，随着外力增大，底部的弯矩不会过大增加。而摩擦摆支座体系的墩底弯矩都小于20 000 kN·m，并没有屈服，因此墩底弯矩随着墩高的增加而变大。

图7.7-26　双线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩

如图7.7-28所示，墩高为4～8 m时，双线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩隔震率随着墩高的增加变化不明显，当墩高继续增加，墩底弯矩隔震率也随之减小。这也和墩顶纵向位移隔震效率变化规律类似。当墩高为20 m时甚至出现摩擦摆支座体系隔震效率为负数的情况。

图7.7-27　双线桥等截面桥墩墩底纵向弯矩-墩顶位移曲线

图7.7-28　双线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩隔震率

在纵桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底保护层混凝土压应变如图7.7-29所示。墩高为4～10 m时，普通支座体系的保护层混凝土压应变随着墩高的增加而变大，当墩高大于10 m时，保护层混凝土的压应变变化不明显。摩擦摆支座体系的混凝土压应变随着墩高的增加而变大。原因和墩底弯矩相似，由于当墩高为10 m时，墩底在地震作用下屈服。如图7.7-30所示，墩底保护层混凝土压应变隔震率也和墩顶纵向位移隔震效率变化规律类似。

图7.7-29　双线桥等截面桥墩纵向墩底保护层混凝土最大压应变

图7.7-30　双线桥等截面桥墩纵向墩底保护层混凝土压应变隔震率

2.横桥向地震波输入时隔震效率

在横桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的桥墩顶位移如图7.7-31所示。两类支座体系的墩顶位移都随着墩高增加而变大。普通支座体系的墩顶位移在相同墩高下比摩擦摆体系的大，说明摩擦摆支座在横桥向起到了隔震的效果。如图7.7-32所示，墩顶横向位移隔震率随着墩高的增加而增加。如图7.7-33所示，4 m墩高与20 m墩高双线桥的横向固有周期分别为0.25 s与0.40 s，比纵向固有周期要小，结构刚度更大，隔震效率较大。因此双线桥横桥向随着墩高增加，墩顶横向位移隔震率也随之变大。

图7.7-31　双线桥等截面桥墩墩顶横向位移

图7.7-32　双线桥等截面桥墩墩顶横向位移隔震率

图7.7-33　双线桥不同墩高桥梁的加速度反应谱

在横桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的支座位移如图7.7-34所示。普通支座体系取滑动支座的位移时，支座位移比较大，这是由于双线桥桥墩横向刚度特别大，远比支座的刚度大，支座容易屈服甚至破坏。对于摩擦摆支座体系，支座横向位移随墩高的增加并没有太大的变化。这主要由于桥墩墩高增加时，虽然墩底加速度一样，但是墩顶的加速度在增加，摩擦摆支座位移随墩顶加速度增加而增加。但是墩高增加，桥墩变柔，摩擦摆支座位移也会随墩高增加而变小，所以对支座位移来说，墩高的增加影响并不大。

图7.7-34　双线桥等截面桥墩支座横向位移

在横桥向地震波输入的情况下，等截面桥墩双线桥普通支座体系与摩擦摆支座体系的主梁位移如图7.7-35所示。普通支座体系的主梁位移随着墩高的增加而增加。摩擦摆支座体系随着墩高的增加主梁横向位移变化不明显。这主要是因为桥墩横向刚度比较大，摩擦摆支座体系的墩顶横向位移远比支座位移小，因此主梁位移与支座位移比较接近。

图7.7-35　双线桥等截面桥墩主梁横向位移

在横桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底弯矩如图7.7-36所示。两类支座体系都随着墩高的增加，横向墩底弯矩变大。

图7.7-36　双线桥等截面桥墩横向墩底弯矩

如图7.7-37所示，随着墩高增加，墩底弯矩隔震率变化不明显。

图7.7-37　双线桥等截面桥墩纵向墩底弯矩隔震率

在横桥向地震波输入的情况下，双线桥等截面桥墩普通支座体系与摩擦摆支座体系的墩底保护层混凝土压应变如图7.7-38所示。墩高增加时，两类体系的保护层混凝土压应变随着墩高的增加而变大。如图7.7-39所示，墩底保护层混凝土压应变隔震率也和墩顶横向位移隔震效率变化规律类似。

图7.7-38　双线桥等截面桥墩横向墩底保护层混凝土最大压应变

图7.7-39　双线桥等截面桥墩横向墩底保护层混凝土压应变隔震率