基于有限元的橫向巖質(zhì)陡坡梁橋地震受力分析及對策

■鄭 錚

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004）

0 引言

在海西高速公路的建設(shè)發(fā)展過程中，建于橫向巖質(zhì)陡坡的高架梁橋因能滿足公路線形、環(huán)保以及人文的要求得到了大量運(yùn)用。但該類地形的橋梁結(jié)構(gòu)受力情況是復(fù)雜的，尤其在遭受地震作用時，更易發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

國內(nèi)外學(xué)者的研究大多限于平地地形的動力響應(yīng)以及規(guī)則橋梁的地震特點(diǎn)范圍，對于巖質(zhì)陡坡梁橋的整體抗震性能研究，尤其對于該種不利地形下橫向墩高存在差異的橋梁抗震研究尚不多見。范立礎(chǔ)等[1]進(jìn)行了多跨連續(xù)梁橋的順橋向動力特性研究；卓衛(wèi)東等[2]針對等墩高連續(xù)梁橋指出了傳統(tǒng)抗震設(shè)計中的不足，并與減隔震梁橋進(jìn)行了比較分析。我國的抗震設(shè)計規(guī)范對于該類不利地形的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計進(jìn)行了考慮，其地震影響增大系數(shù)可達(dá)1.6[3～5]，因此對于該類橋梁進(jìn)行整體的抗震性能研究是亟待開展的課題之一。

1 工程背景

實(shí)橋案例為福建省沿海地區(qū)某高速公路橋梁，上部結(jié)構(gòu)采用4×35m 部頒預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁，梁高2.3m，橋?qū)?6.75m。梁體采用C50 混凝土，橋墩與樁基采用C30 混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩配樁基礎(chǔ)，墩與樁直徑均為1.6m。U 臺位置采用四氟滑板支座，其余各墩采用板式橡膠支座。受到橫向陡坡地形影響，橫橋向高墩和矮墩的墩高分別為10m 與4.5m，各縱橋向高矮墩墩高相近。據(jù)剪切波速測量結(jié)果，場地覆蓋層等效剪切波速333m/s，按《公路橋梁工程抗震設(shè)計細(xì)則》，場區(qū)為中硬場地土。場地覆蓋層厚度1.7m，為Ⅱ類建筑場地。橋址區(qū)場地穩(wěn)定性較好，持力層多為中風(fēng)化基巖，其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)較高。

圖1 橋梁立面圖與橫斷面圖

2 動力模型和地震波輸入

采用MIDAS Civil2012 建立全橋有限元模型(圖2)，采用空間梁單元模擬主梁與橋墩，為考慮橋墩的非線性受力，墩柱截面類型采用纖維截面模擬，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。采用一般連接形式模擬支座約束，鉤單元模擬橫向擋塊，因聯(lián)端剛性橋臺剛度較大、變形較小，僅考慮橋臺支座的影響；根據(jù)地質(zhì)情況，巖質(zhì)陡坡地基剛性較大，在墩底位置采用固結(jié)的做法會略增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力的反應(yīng)，縮小結(jié)構(gòu)的實(shí)際周期，因此應(yīng)將橋墩延長約3 倍樁徑固結(jié)，以貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)的情況[6]。選取具有Ⅱ類場地特征的El Centro 基巖波（1940，南北向），分別于順橋向與橫橋向輸入，取時程計算結(jié)果予以分析，在保證地震記錄原有頻譜特性的前提下，參照7 度抗震設(shè)防烈度對其峰值進(jìn)行修正，設(shè)計基本地震加速度為0.15g。

圖2 全橋有限元分析模型

柱截面纖維劃分如圖3 所示，截面徑向等分為14份，周向等分為64 份。約束混凝土采用Mander 模型，鋼筋采用雙折線模型，以便于準(zhǔn)確的模擬橋墩非線性行為。圖4 為橫向等墩高7.5m 情況下2#墩墩底截面的彎矩曲率曲線，由圖4 中數(shù)據(jù)可得其對應(yīng)的初始屈服點(diǎn)A 彎矩為4807.5kN·m，承載能力極值B 為6230.43 kN·m。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過極限彎矩時，將發(fā)生嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至失效。

圖3 墩柱纖維截面劃分

圖4 2#墩墩底截面彎矩曲率曲線

3 結(jié)構(gòu)地震動內(nèi)力分析

本橋在橫橋向與縱橋向的結(jié)構(gòu)基本周期分別為1.40s 與1.64s。分別沿橫橋向與縱橋向?qū)氲卣鸩?，進(jìn)行時程分析計算，經(jīng)計算縱橋向3 個橋墩中，2#橋墩的墩底內(nèi)力最大。因此主要針對此橋墩底部單元，比較橫橋向高墩、矮墩地震內(nèi)力響應(yīng)。

3.1 橫橋向地震動分析

圖5 橫橋向地震動作用下2#墩橫向高墩與矮墩墩底截面內(nèi)力圖

圖5 給出了橫橋向地震動作用下2#陡坡橋墩底彎矩與剪力的時程曲線，從數(shù)值結(jié)果可以得出，在橫橋向地震動作用下，矮墩的墩底彎矩極值為3387kN·m，墩底剪力極值為615.40kN；高墩的墩底彎矩極值為1571kN·m，較矮墩小了53.62%，墩底剪力極值為191.3kN，較矮墩小了68.9%。由此可得，在橫橋向地震動作用下，陡坡梁橋下部結(jié)構(gòu)中的矮墩因自身剛度比例的特點(diǎn)，會承受更多的地震內(nèi)力，相對于高墩的自身受力而言，該增大作用是十分顯著的。

3.2 縱橋向地震動分析

圖6 為縱橋向地震動作用下陡坡梁橋墩底彎矩與剪力的時程曲線圖，從數(shù)值結(jié)果可以得出，矮墩的墩底彎矩極值為6590kN·m，墩底剪力極值為576.4kN；高墩的墩底彎矩極值為3908kN·m，較矮墩小了40.7%，墩底剪力極值為205.3kN，較矮墩小了65.4%。由此可得，在縱橋向地震動作用下，橫向陡坡梁橋下矮墩會產(chǎn)生更劇烈的地震內(nèi)力響應(yīng)，且其極限彎矩超過了彎矩曲率曲線得到的截面屈服彎矩，屆時橋墩將產(chǎn)生明顯的塑性破壞，甚至引起垮塌。

圖6 縱橋向地震動作用下2#墩橫向高墩與矮墩墩底截面內(nèi)力圖

3.3 墩頂位移漂移率比較

墩頂位移漂移率為墩頂位移與橋墩墩高的比值，是墩柱構(gòu)件對應(yīng)于不同性能水準(zhǔn)的變形能力，并且與長細(xì)比、軸壓比、縱筋率、配箍率等墩柱構(gòu)件設(shè)計參數(shù)有關(guān)的變量。圖7 給出了2#墩中高矮墩縱橋向和橫橋向的墩頂位移漂移率，由其中數(shù)據(jù)可得，對于該連續(xù)梁橋，縱橋向輸入地震動會產(chǎn)生更高的墩頂漂移率，因此縱橋向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是抗震設(shè)計的重點(diǎn)；對于橫向陡坡梁橋，縱橋向輸入地震動時，高墩與矮墩的漂移率都高于同類常規(guī)平地地形梁橋的橋墩漂移率，該不利地形會引起結(jié)構(gòu)在地震作用時產(chǎn)生更為嚴(yán)重的損傷；兩種地震波輸入情況下，陡坡梁橋中的矮墩漂移率最高，最大值可達(dá)0.46%，其抗震延性設(shè)計應(yīng)當(dāng)予以單獨(dú)的重視。

圖7 縱橋向與橫橋向墩頂漂移率

4 設(shè)計對策

針對陡坡梁橋矮墩在地震作用下的受力特點(diǎn)，本文提出施工措施，在陡坡處不大開挖的情況下，通過在矮墩樁周預(yù)留空隙（圖8），改善橋墩剛度差過大的不利影響，降低矮墩剛度，改善橋墩受力。其大致步驟如下：

圖8 施工措施示意圖

(1)施工時通過“雙護(hù)筒”法或“護(hù)壁+鋼護(hù)筒”法在矮墩樁周預(yù)留空隙。樁基頂在成孔時，處理長度范圍的成孔直徑比常規(guī)大約15～20cm。

(2)樁砼澆注前，把帶有封堵橡膠圈的鋼護(hù)筒定位好。

(3)放置鋼筋籠，澆注樁基砼。

(4)樁基施工完成后，預(yù)留空隙處填塞泡沫層或者高彈性橡膠墊層。

圖9 縱橋向地震動作用下矮墩樁側(cè)處理前后內(nèi)力圖

通過計算可得，矮墩樁周經(jīng)過處理后的結(jié)構(gòu)周期為1.77s，相對原結(jié)構(gòu)延長了7.9%；該施工措施可以減少原陡坡梁橋的縱橋向矮墩地震內(nèi)力作用，其中墩底彎矩為6092kN·m，相對減少7.6%，墩底剪力為530.9kN，相對減少7.9%；當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性鉸以后，采取該施工措施處理過的矮墩墩底的內(nèi)力時程曲線值小于處理前的情況。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)本文的研究與工程實(shí)例分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對于橫向陡坡梁橋而言，其矮墩在地震作用下會產(chǎn)生更大的內(nèi)力反應(yīng)，設(shè)計中應(yīng)予以重視，在抗震設(shè)計時應(yīng)與同類常規(guī)平地地形梁橋有所區(qū)別，調(diào)整相應(yīng)的配筋率，加強(qiáng)延性設(shè)計，提高抗震性能。

（2）地震作用下，橫向陡坡梁橋中矮墩會產(chǎn)生較大的墩底剪力，應(yīng)加強(qiáng)橋墩塑性鉸區(qū)域的抗剪設(shè)計。

（3）橫向陡坡梁橋的橫橋向地震動作用能達(dá)到縱橋向50%以上，設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)加大擋塊的尺寸及增加結(jié)構(gòu)配筋，防止落梁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（4）矮墩采用預(yù)留空隙的施工措施可以減少地震作用下橫向陡坡梁橋中矮墩的內(nèi)力響應(yīng)。

[1]周光偉，李建中，范立礎(chǔ).多跨連續(xù)梁橋縱橋向動力特性研究及其地震反應(yīng)譜簡化分析[J].上海：同濟(jì)大學(xué).

[2]卓衛(wèi)東，孫穎，谷音.長大公路混凝土連續(xù)梁橋抗震方案比選[J].土木工程與管理學(xué)報，2011，38(3)：313-321.

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011-2010)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[4]公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則(JTG/T B02-01-2008).北京：人民交通出版社，2008.

[5]城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范(CJJ 166-2011）.北京：人民交通出版社，2011.

[6]普瑞斯特雷，塞勃勒，卡爾維.橋梁抗震設(shè)計與加固[M].北京:人民交通出版社,1997.