雙層高架橋門式墩與獨柱墩抗震性能比較分析

魯傳安

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

1 概述

近年來我國經(jīng)濟得到了迅猛發(fā)展，城市土地資源的稀缺及橋梁建設(shè)用地的緊張日顯突出。為了在有限的土地資源上極大地提高城市交通的使用效率、改善橋梁通行條件，雙層高架橋便應(yīng)運而生，其中以上層市政高架道路下層軌道交通的雙層高架應(yīng)用越來越廣泛[1]。雙層高架橋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，震害與一般高架有所不同。在1989年洛馬普里埃塔（Loma Prieta）地震中，美國舊金山海灣地區(qū)的雙層高架橋大多出現(xiàn)了損傷，其中賽普拉斯（Cypress）雙層高架橋的倒塌造成了較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。從而引起了廣大學者對雙層高架橋抗震性能研究的重視，也取得了一定的研究成果[2]、[3]。

本文基于國內(nèi)某工程實例，針對上層公路下層軌道交通的雙層高架橋進行分析。該工程采用橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)簡支箱梁結(jié)構(gòu)，其中以混凝土箱梁為主，輔以跨路口的大跨徑鋼砼疊合箱梁。上層橋?qū)?8 m，下層軌道交通單線寬4.3 m，雙線寬8 m，標準跨徑為30 m、35 m及40 m三種。下部結(jié)構(gòu)采用門式墩和獨柱墩兩種形式，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁。典型獨柱墩及門式墩立面布置圖如圖1、圖2所示。本文橋墩采用延性抗震設(shè)計方法，即墩柱按延性構(gòu)件設(shè)計，橫梁、塑性鉸區(qū)抗剪及樁基礎(chǔ)按能力保護構(gòu)件設(shè)計。

圖1 門式墩立面布置圖

2 動力計算模型及動力特性

2.1 動力計算模型

圖2 獨柱墩立面布置圖

為了研究比較兩種橋墩的抗震性能，分別選取兩聯(lián)標準跨徑為40 m且為標準寬度的橋梁結(jié)構(gòu)進行抗震分析，同時為了考慮相鄰結(jié)構(gòu)的影響，建模時將相鄰橋跨也一并模擬，兩個模型選取的墩柱總高度也基本一致，在25 m～29 m之間。

主梁和橋墩均采用空間梁單元模擬。在支座模擬時，將彈性支座處理為主梁和墩頂采用彈簧單元模擬，由于主梁和墩頂之間每排均設(shè)有多個支座，在模型中均進行了適當?shù)暮喜?。在地震反?yīng)分析中，考慮到樁基礎(chǔ)的剛度和土層的特性對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響，橋梁樁基礎(chǔ)通過在承臺底部加上六個方向的彈簧來模擬樁基礎(chǔ)的作用。為了能更真實模擬實際情況，建模過程中考慮了上層橋面連續(xù)部分的影響，而下層是軌道交通,建模時把軌道對主粱的連接作用也考慮進去。門式墩及獨柱墩動力計算模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 門式墩動力計算模型

圖4 獨柱墩動力計算模型

2.2 動力特性

分析和認識橋梁的動力特性是進行結(jié)構(gòu)抗震性能分析研究的基礎(chǔ)，根據(jù)圖3、圖4的動力計算模型，對兩種橋墩結(jié)構(gòu)模型進行動力特性分析，結(jié)果如表1所列。

由表1可知，兩個模型的第一階振型均為縱飄，表明縱向剛度均較橫向剛度小。而門式墩模型第一階振型周期短于獨柱墩，說明門式墩縱向剛度大于獨柱墩。其次，門式墩模型第一階橫向振型出現(xiàn)在第7階，獨柱墩模型第一階橫向振型出現(xiàn)在第3階，可見門式墩橫向剛度更大。

3 反應(yīng)譜分析

在前述動力特性分析所采用的結(jié)構(gòu)有限元模型中，分別輸入50 a10%超越概率（相當于E1地震）及50 a3%超越概率（相當于E2地震）、阻尼比為5%的場地加速度反應(yīng)譜，反應(yīng)譜見圖5所示。輸入方向組合分別為：縱向＋豎向和橫向+豎向。計算結(jié)果取前300階進行組合，組合方式為CQC組合，計算結(jié)果匯于表2～表5。

表1 結(jié)構(gòu)的動力特性表

圖5 地震影響系數(shù)反應(yīng)譜圖示

由表2～表5可知，橫梁地震反應(yīng)門式墩均大于獨柱墩，特別是橫向地震反應(yīng)門式墩遠大于獨柱墩，門式墩剪力效應(yīng)一般都大于獨柱墩，而彎矩效應(yīng)則是除上層柱頂位置外，其余均是門式墩縱向大，獨柱墩橫向大?？梢?，大部分的地震反應(yīng)均是門式墩較獨柱墩大。兩者上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量一致，而且墩柱高度也接近。造成這一現(xiàn)象的主要原因是兩者動力特性差異。由前述動力特性可知，門式墩周期要低于獨柱墩，對應(yīng)的反應(yīng)譜值則是門式墩大，從而地震反應(yīng)也相應(yīng)較大。獨柱墩下柱和上柱底彎矩較大的原因，則是獨柱墩為靜定體系，橫向受力主要由立柱承擔，門式墩則由于本身的框架體系，橫向受力由立柱和橫梁共同承擔。

表2 墩柱E1地震反應(yīng)一覽表（50 a10%）

表3 墩柱E2地震反應(yīng)一覽表（50 a3%）

表4 橫梁E1地震反應(yīng)一覽表（50 a10%）

表5 橫梁E2地震反應(yīng)一覽表（50 a3%）

根據(jù)抗震規(guī)范對關(guān)鍵截面強度進行驗算,結(jié)果表明，在E1地震作用下，獨柱墩墩身、樁基礎(chǔ)滿足強度抗震要求。在E2地震作用下，橫橋向獨柱墩墩底發(fā)生屈服。橋墩上、下橫梁滿足強度抗震要求；門式墩下層柱底、上層柱頂?shù)捉孛嬖谒疁蔈I地震作用下，橫向抗彎能力已不能滿足需求，在E2地震作用下，除上層柱頂截面縱向未屈服以外，其余均進入屈服狀態(tài)。樁基礎(chǔ)在E1地震作用下強度滿足要求。門式墩的上下橫梁強度滿足抗震要求。

4 非線性時程分析

根據(jù)反應(yīng)譜的分析結(jié)果，可以知道在E2地震下大部分墩柱發(fā)生損傷。因此，為了確保在該水準地震作用下，各構(gòu)件滿足預(yù)期的抗震性能要求，尤其是墩柱進入損傷后的延性變形情況，需采用非線性時程分析方法進行分析。

在時程計算中，墩、柱的非線性特性通過采用集中塑性鉸梁單元模擬。在每個墩的屈服位置設(shè)置一個塑性鉸。塑性鉸的參數(shù)根據(jù)墩、柱的截面的實際配筋情況計算的彎矩-曲率關(guān)系來確定。

時程分析的地震輸入組合為縱向＋豎向和橫向＋豎向，豎向加速度取為橫向或者縱向的0.5，考慮到地震動的隨機性，對符合概率水準的六條地震波進行了計算，取其平均值作為時程計算的結(jié)果。同時，對塑性鉸變形、塑性鉸區(qū)域抗剪及樁基進行驗算，表6、表7有代表性地列出了E2地震下墩底截面塑性鉸地震響應(yīng)及驗算結(jié)果。門式墩其余位置塑性鉸驗算及樁基驗算結(jié)果限于篇幅未列出。

表6 E2地震墩底截面塑性鉸轉(zhuǎn)角能力驗算結(jié)果表（單位：rad）

表7 E2地震墩底截面塑性鉸位置抗剪能力驗算結(jié)果表（單位：kN)

通過表6、表7所列的驗算結(jié)果可知，在反應(yīng)譜分析發(fā)生屈服的橋墩墩柱，發(fā)生的最大塑性轉(zhuǎn)角小于容許的塑性轉(zhuǎn)角，表明變形是滿足要求的。塑性鉸位置的墩身抗剪能力都滿足抗震要求。門式墩與獨柱墩墩底塑性鉸轉(zhuǎn)角變形及剪力基本接近，說明屈服后兩者墩底性能基本一致。根據(jù)樁基礎(chǔ)驗算結(jié)果，在E2地震下橫橋向，兩種橋墩樁基均發(fā)生屈服，不能滿足能力保護構(gòu)件設(shè)計要求，需要加強樁基礎(chǔ)設(shè)計。

5 結(jié)論

通過以上分析，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）兩種橋墩的動力計算模型第一階振型均是主梁的縱飄振型，但是門式墩模型周期較獨柱墩短，且門式墩橫向振型出現(xiàn)階數(shù)較高。

（2）門式墩和獨柱墩上下橫梁均未發(fā)生損傷進入屈服狀態(tài)，說明橫梁設(shè)計符合能力保護構(gòu)件設(shè)計要求。

（3）反應(yīng)譜分析地震反應(yīng)，總體上門式墩比獨柱墩大。獨柱墩立柱在E1地震作用下仍處于彈性狀態(tài)，在E2地震下僅墩底發(fā)生屈服；門式墩立柱部分關(guān)鍵截面在E1地震下已發(fā)生損傷，在E2地震下，除上層柱頂縱向未屈服以外，其余均發(fā)生屈服。

（4）非線性時程分析表明，兩種橋墩的塑性鉸轉(zhuǎn)角變形及抗剪性能比較接近，且均能滿足抗震要求。

[1]孫建淵，陳階亮.城市橋梁雙層交通的概念設(shè)計[J].橋梁建設(shè)，2006，（2）:39-42.

[2]張潔，李建中，管仲國.雙層高架橋擬靜力實驗研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2012，28（6）:128-133.

[3]彭天波，李建中，范立礎(chǔ).能力設(shè)計方法在雙層高架橋梁抗震設(shè)計中的應(yīng)用[J].世界橋梁，2009，（1）:12-15.