邊坡處柔性橋墩抗震簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法研究

蔡 煜呂 哲

（1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，中國 北京100011；2.上海市政交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，中國 上海200030）

0 引言

橋梁結(jié)構(gòu)的地震破壞除了造成結(jié)構(gòu)本身的直接損失，當(dāng)橋位設(shè)置在主干道上，還會(huì)阻礙救援和物資人員的運(yùn)送。我國是地震多發(fā)國家，2008年發(fā)生的汶川地震造成了大量的傷亡，破壞原因大多是設(shè)防烈度低于實(shí)際烈度[1~4]，但地震的復(fù)雜性導(dǎo)致計(jì)算的精確很難控制[5]，首先需要對(duì)在建場(chǎng)地中的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行明確的概念分析，然后結(jié)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行薄弱抗震部位的驗(yàn)算，最終保證通過配筋和構(gòu)造驗(yàn)算保證結(jié)構(gòu)的抗震性能。對(duì)于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的規(guī)則橋梁，采用有效簡(jiǎn)便的理論進(jìn)行分析可以為初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 規(guī)則橋梁的簡(jiǎn)化抗震設(shè)計(jì)理論

目前規(guī)范中主要推薦的分析方法為反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法和功率譜法，其中反應(yīng)譜法是根據(jù)結(jié)構(gòu)的彈性反應(yīng)結(jié)果建立的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，對(duì)于規(guī)則橋梁有很好的適用性，而且在計(jì)算中應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)、支座、橋墩以及基礎(chǔ)等影響[6]。

全聯(lián)均采用板式橡膠支座的連續(xù)梁橋或橋面連續(xù)、順橋向具有足夠強(qiáng)度的抗震連接措施（即順橋向連接措施強(qiáng)度大于支座抗剪極限強(qiáng)度）的簡(jiǎn)支梁，其水平地震力可按下述簡(jiǎn)化方法計(jì)算：

1）上部結(jié)構(gòu)對(duì)板式相交支座頂面處產(chǎn)生的水平地震力

Eihs——上部結(jié)構(gòu)對(duì)第i號(hào)墩板式橡膠支座頂面處產(chǎn)生的水平地震力（kN）；

ns——第i號(hào)墩頂板式橡膠支座數(shù)量；

Gd——板式橡膠支座的剪切模量，一般取值1200kN/m2；

Ar——板式橡膠支座面積（m2）；

Σt——板式橡膠支座橡膠總厚度（m）；

n——相應(yīng)于一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的橋墩個(gè)數(shù)；

kip——第i號(hào)橋墩墩頂抗推剛度；

Gsp——一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的總重量（kN）；

Sh1——相應(yīng)水平方向加速度反應(yīng)譜值。

2）墩身水平地震力

柱式墩由墩身自重在板式橡膠支座頂面產(chǎn)生的水平地震力

Gtp——橋墩對(duì)板式橡膠支座頂面處的換算質(zhì)點(diǎn)重力（kN）。

Gcp——蓋梁的重量；

Gp——橋墩的重量；

η——墩身重力換算系數(shù)：

Xf——考慮地基變形時(shí)，順橋向作用于支座頂面或橫橋向作用于上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心上的單位水平力在一般沖刷線或基礎(chǔ)頂面引起的水平位移與支座頂面或上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心處的水平位移之比。

將上部結(jié)構(gòu)的地震力Eihs和墩身的水平地震力Eihp施加到橋墩上，即可得到墩底位置處的內(nèi)力。以上是簡(jiǎn)化算法的計(jì)算過程，下面通過一個(gè)實(shí)際工程算例進(jìn)行應(yīng)用。

2 計(jì)算算例

某高速公路工程結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支組合梁橋，單孔標(biāo)準(zhǔn)跨徑為20m，橋?qū)?9.5m，三跨一聯(lián)，采用橋面連續(xù)的鋪裝。該工程跨越地形為寬523.5m的溝谷地形，靠近邊坡的位置橋墩高度變化明顯，導(dǎo)致橋墩縱向抗推剛度變化較大，下部結(jié)構(gòu)的抗震性能需要進(jìn)行分析，如下圖所示。本工程中采用橡膠支座型號(hào)為GJZ400×400×69，橡膠層厚度為49mm，計(jì)算得剪切剛度為3918kN/m。

圖1 簡(jiǎn)支組合梁橋立面布置圖

一聯(lián)跨總共有四個(gè)橋墩，從左到右依次編號(hào)為1、2、3和4號(hào)墩。上部結(jié)構(gòu)分配到橋墩頂部的重量為681.7t，蓋梁的重量為135.4t。橋墩的截面為1.7×1.7m，墩身高度依次為18.9m、16.6m、10.1m和6.1m。支座剪切剛度為3918.4kN/m。為了得到更精確的自振頻率，采用有限元模型計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)的基頻為0.79。根據(jù)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則中5.2.1和5.2.2條的規(guī)定[6]，得到水平方向的加速度反應(yīng)譜值為0.086。將這些參數(shù)代入上面的計(jì)算過程中可以得到墩底的彎矩值如下表所示：

表1 E1地震力作用下墩底矩值

3 結(jié)論

本文針對(duì)某橋梁工程中邊坡處墩高變化相對(duì)較大的一聯(lián)跨徑，基于彈性理論進(jìn)行了反應(yīng)譜法的抗震分析，通過采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，可不需要建立有限元模型，通過手算得到墩底的彎矩值。通過與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比可以得到如下結(jié)論：

（1）有限元計(jì)算結(jié)果較簡(jiǎn)化計(jì)算方法偏大，這可能是由于支座采用彈簧單元模擬并沒有完全反應(yīng)支座的水平抗剪性能，該簡(jiǎn)化計(jì)算方法相比有限元計(jì)算結(jié)果偏于不安全，但仍可以作為校核計(jì)算方法采用。

（2）支座的抗剪剛度kr起到了降低橋墩組合抗推剛度ktp間差距的作用，使水平力分配大小不至于懸殊。工程上的意義是需要對(duì)橡膠支座定期檢查更換，確保橡膠支座的水平抗剪變形作用，否則矮墩的組合抗推剛度會(huì)增大，分配到矮墩的地震力會(huì)相應(yīng)增大。

（3）本算例中最不利橋墩為最高的橋墩。

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