第一章 绪论
1.1 引言
改革开放以来，我国在公路桥梁建设领域取得了令世界瞩目的成就。近几年，随着新技术，新材料的不断发展，以及我国综合经济实力的增强，我国修建了大量优秀的桥梁，创造了一个又一个新的记录，充分展现了我国桥梁建设的先进水平，也标志着我国正在逐步从桥梁大国向桥梁强国迈进。然而这些成就基本上都是来自于大跨径斜拉桥、悬索桥以及跨海大桥的修建，中小跨径桥梁的发展和技术进步则相对来说较为缓慢。目前我国的桥梁总数已接近 80 万座，其中占据比例最多的就是中小跨径桥梁，因此，进一步加强对中小跨径桥梁的研究工作，使之更安全，更经济，更可靠是十分必要的。在中小跨径桥梁中，梁式桥作为一种最常用的桥型，具有结构受力简单，施工成本低，结构形式多样的优点。其上部结构一般采用装配式施工，架桥速度快，施工方便；下部结构则多数采用柱式墩的形式，结构简单，施工成本低。梁桥以其特有的优势，在我国的桥梁建设领域中，占有重要地位。其中以简支梁桥、连续梁桥的使用最为普遍。我国是一个地震多发国家，位在环太平洋地震带与喜马拉雅地震带之间。近些年来我国发生了多次大的地震，给人民的生命财产造成了巨大的损失。强烈的地震往往造成交通系统的瘫痪，桥梁作为重要的公共基础设施和生命线工程，一旦发生倒塌和破坏，便会造成道路中断，严重影响救灾进程。因此，桥梁设计工作者，应该高度重视桥梁结构的抗震能力。对于梁式桥来说，其抗震设计主要在于桥梁下部结构的抗震设计以及防止落梁的设计。根据我国 JTG/T B02-01-2008《公路桥梁抗震设计细则》，采用延性抗震设计的桥梁，通常将钢筋混凝土桥墩作为延性构件进行设计，允许在大震作用下，在特定位置出现塑性铰，通过塑性铰的塑性变形耗散地震动能量，降低地震反应。桥梁基础、主梁、盖梁、桥墩的抗剪一般按能力保护构件设计，要求在弹性范围工作。
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1.2 双柱墩在桥梁工程中的应用
梁式桥是中小跨径桥梁中应用最普遍的一种桥型，常用于高速公路桥梁以及城市道路桥梁。一般分为简支梁桥和连续梁桥。简支梁桥是梁桥中最早出现的桥型，应用十分广泛。简支梁桥是一种单跨静定结构，梁体主要承受正弯矩。对于多跨的简支梁桥，由于主梁部分不连续，而需要设置较多的伸缩缝，桥梁接缝过多则会影响车辆行驶的平顺性，因此，现在的简支梁桥一般多采用主梁简支而桥面连续的形式。连续梁桥是另一种常见的桥型，与简支梁桥相比，其支点处产生的的负弯矩具有卸载作用，相同跨径的连续梁比简支梁跨中弯矩更小，因此连续梁桥相比简支梁桥拥有更好的跨越能力。此外，连续梁桥的桥面伸缩缝设置较少，行车舒适性也更好。但是，由于连续梁桥属于超静定结构，结构受力也更复杂。双柱墩结构常用于桥梁的下部结构。一般由盖梁，墩柱，系梁以及基础组成。双柱墩结构造型简单，施工方便，具有良好的空间通过性，在桥梁建设领域中应用十分广泛。当桥面较宽时，还可以做成多柱墩的形式。双柱墩属于柔性墩，当墩身高度设计过高时，由于墩身刚度较小，在水平地震荷载作用下，会在墩顶产生较大的水平位移，容易引发落梁。此外，由于墩身截面尺寸相对较小，墩底的抗弯和抗剪承载能力也较弱，在地震作用下，墩柱更易发生弯曲和剪切破坏。因此，一般双柱墩适合墩身高度在 50m 以下时采用，当墩身高度超过 50m 时，可以考虑用空心薄壁墩来代替双柱墩。据文献[1]叙述：墩高小于 30 米时，通常采用实心圆柱墩或者矩形墩，高烈度地震区墩高 30 米以内的 T 梁桥，采用双圆柱墩较多。双柱墩截面一般采用圆形或矩形的实心截面。据文献[2]研究表明，在相同地震荷载作用下，圆形截面桥墩所受的剪力比矩形截面桥墩要小，延性也更好，在计算高度、截面面积与配筋率均相同的情况下宜选择圆形截面形式。
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第二章 桥梁抗震分析与设计方法
桥梁结构的抗震分析，主要是确定结构在地震作用下的内力和变形。根据地震动的随机性和不确定性，可以将结构地震反应分析方法分为随机振动方法和确定性方法。20 世纪 60 年代，人们逐渐认识到地震动的随机性和复杂性，并将随机振动理论应用于工程抗震，随机振动方法是将具有统计性质的地震波作用于结构上，求得结构的地震响应，进而估计结构的安全性和可靠性，是一种概率性的分析方法。目前，应用于地震反应分析的随机振动法分为时域随机振动法和频域随机振动法。确定性方法则是将确定的地震作用于结构，求得结构的地震响应。确定性地震反应分析方法从最早的静力法，到反应谱法，再到动力时程分析法。现在，世界上大多数国家的桥梁抗震设计规范都采用确定性地震反应分析方法。
2.1 静力法
静力法是最早的抗震分析方法，是从日本开始发展起来的。1899 年，日本学者大森房吉提出了静力法的概念。静力法是把结构物在地震中所受的惯性力看作是施加在结构上的静力荷载，假定结构为刚体，在地震作用下，结构各点的加速度与地面运动加速度相等，所受到的地震力可以用地面运动加速度与结构质量的乘积来表示，静力法是以地震荷载的概念代替结构在地震强迫振动下的激励外因作用于结构，计算静力效应来代替结构在地面运动激励下的动力效应，简化了概念。但从动力学的角度来看，将地震力等效成静力，忽略了地震中结构的动力特性，无法反映真实的结构受力。将结构视为刚性，结构只发生弹性位移仅依靠结构刚度抵御地震，是既不经济又不合理的。弹性静力法简单易行，比较适用于某些刚度较大的结构，如桥台和挡土结构等仍然采用弹性静力法来进行抗震设计。当地震动卓越周期比结构固有周期长很多时，结构物就几乎不产生变形，此时，结构物的各部分可以看作与地震动具有相同的振动，可以采用静力法进行简化计算。
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2.2 反应谱法
20 世纪 30 年代，随着结构动力学理论的不断发展，反应谱法应运而生。1930年，美国加利福尼亚州进行了大量的地震调查和研究，发现了地震动特性对结构地震响应的影响。1931 年以后，美国开始积极地整理并收集地震资料。1943 年，美国学者皮奥特（M.A. Biot）提出了反应谱的概念。在 20 世纪 40 年代末至 50年代初，Huosner 等人在计算大量反应谱的基础上，提出了基于反应谱理论的结构抗震分析理论。1956 年，美国力学和结构专家纽马克(N. M. Newmark)首次将反应谱法应用于实际工程墨西哥城美洲银行大厦的抗震设计中，在 1957 年发生的里氏 8 级的墨西哥地震中该建筑承受住了考验保存完好。1958 年，反应谱法在第一届世界地震工程会议上得到了更大的推广和发展，世界上许多国家开始将该方法采纳应用到抗震设计规范中。目前在我国和其他国家的抗震设计规范中，广泛采用反应谱理论来进行抗震分析，对常规桥梁来讲，因为基本上都符合等位移原理的条件，所以可以采用反应谱法代替弹塑性分析方法进行抗震分析。反应谱方法首先确定结构物所在地区的设计地震动加速度反应谱；然后通过振型分解法将结构转变成各个单自由度体系，得到各阶振型的周期，根据设计加速度反应谱求得各阶振型下的地震最大反应；再将各个振型反应的最大值进行组合，其结果即为该结构在设计地震作用下的地震反应。
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第三章 横系梁设置原则与设计方法探讨.........22
3.1 横系梁的基本设置原则.......22
3.2 横系梁设计方法..........23
3.2.1 横系梁设计基本流程.......23
3.2.2 横系梁设计方案的比选标准....23
3.2.3 横系梁设计方法的初步研究....25
3.3 本章小结....25
第四章 不同横系梁设计方案对桥梁抗震性能影响的对比分析........26
4.1 桥梁有限元模型..........26
4.1.1 工程概况.........26
4.1.2 有限元模型建立......27
4.2 无系梁双柱墩模型对比分析........29
4.3 有系梁双柱墩模型对比分析........35
4.4 横系梁设置数量对比分析............39
4.5 横系梁设置位置对比分析............60
4.6 横系梁设置尺寸对比分析............63
4.7 本章小结....68
第五章 结论和展望.........69
5.1 本文主要结论.....69
5.2 展望...........70
第四章 不同横系梁设计方案对桥梁抗震性能影响的对比分析
4.1 桥梁有限元模型
为了研究上一章提出的横系梁设计方案比选标准和设计方法是否可行，本章以某高速公路简支梁桥为例，进行了抗震计算和对比分析研究。该桥上部结构采用预应力混凝土简支 T 梁，下部结构采用混凝土双柱墩的形式。运用有限元分析软件 Midas Civil 对桥梁结构进行分析和模拟，通过对不同墩高的双柱墩进行相应的横系梁设计，比选合理的横系梁设置方案。因为对横系梁设计来讲，墩高是最重要的影响因素，桥梁跨径和墩柱的间距相对来讲影响较小，所以本文选用的所有模型均在桥梁上部结构和墩柱的间距不改变的前提下，只改变桥墩的高度、尺寸和配筋。本桥为 4×30m 预应力混凝土简支 T 梁桥，桥梁结构包括：主梁、盖梁、桥墩、系梁、桥台及桩基础。桥梁上部结构采用预应力钢筋混凝土简支
