7度地震區(qū)雙柱墩連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)研究

賈奮宗

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

7度地震區(qū)雙柱墩連續(xù)梁橋的抗震設(shè)計(jì)研究

賈奮宗

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海市 200070）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，抗震設(shè)計(jì)得到了橋梁設(shè)計(jì)工作者的高度重視。依據(jù)最新《城市橋梁抗震規(guī)范》，以東康快速路—包茂高速全互通立交主線高架橋梁引橋?yàn)楸尘?，采用Midas軟件對雙柱墩連續(xù)梁橋進(jìn)行抗震分析，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

雙柱墩；抗震設(shè)計(jì)；城市橋梁

0　引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，交通量大量增加，橋梁橫向尺寸隨之增大，雙柱墩的運(yùn)用日益廣泛。而雙柱墩的抗震性能較單柱墩更復(fù)雜，袁萬城等［1］通過對單柱墩和雙柱墩在線性范圍內(nèi)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析來探討兩種結(jié)構(gòu)的抗震性能。從橋墩抗震延性概念設(shè)計(jì)的角度，地震作用下，雙柱墩橋梁的耗能部位：順橋向位于墩底，橫橋向位于橫向連接處、墩頂和墩底。由于雙柱墩橫向受力分析的需要，需專門建立橫向計(jì)算模型。

1　工程概況

包茂高速立交橋梁位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，包茂高速立交橋梁包括上跨包茂高速的東康快速主線高架、SE匝道橋、SW匝道橋、NE匝道橋、WS匝道橋和EN匝道橋，本文結(jié)合主線高架橋梁引橋進(jìn)行抗震分析，其結(jié)構(gòu)形式均采用連續(xù)梁，高度2 m。上部預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用C50混凝土，見圖1。下部橋墩、承臺(tái)及樁基礎(chǔ)均采用C35混凝土，見圖2。

圖1　上部結(jié)構(gòu)典型橫斷面（單位：cm）

圖2　典型橋墩橫斷面（單位：cm）

由于本工程橋跨較多，且結(jié)構(gòu)形式相似，故抗震計(jì)算僅選取有代表性的XPU04～XPU07聯(lián)進(jìn)行計(jì)算，其中XPU04為30 m+33 m+33 m+30 m標(biāo)準(zhǔn)段（橋梁寬度為20.2 m）箱梁，XPU05為3×35 m（橋梁寬度為23.7～29.4 m）箱梁，XPU06為4×35 m（橋梁寬度為23.7 m）箱梁，XPU07為3×35 m（橋梁寬度為23.7 m）箱梁，墩高從16.705～8.498 m變化。由《城市橋梁抗震規(guī)范》6.1.2知本橋?qū)僖?guī)則橋梁。

2　抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、抗震設(shè)計(jì)方法和地震動(dòng)輸入

2.1抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

抗震設(shè)防烈度：按地震烈度7度設(shè)防，水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值0.1 g；根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 166-2011，本工程橋梁抗震設(shè)防分類為乙類，在E1地震作用下，地震調(diào)整系數(shù)Ci=0.61；在E2地震作用下，地震調(diào)整系數(shù)Ci=2.2。

根據(jù)規(guī)范，本工程橋梁的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）在E1地震作用下，結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍，基本無損傷，震后可立即使用。

（2）在E2地震作用下，結(jié)構(gòu)可發(fā)生有限損傷，經(jīng)搶修可恢復(fù)使用，永久性修復(fù)后恢復(fù)正常運(yùn)營。

2.2抗震設(shè)計(jì)方法和橋梁抗震體系

根據(jù)規(guī)范，本工程橋梁抗震設(shè)計(jì)方法為A類：應(yīng)進(jìn)行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗(yàn)算，并滿足橋梁抗震體系以及相關(guān)構(gòu)造和抗震措施的要求。

本工程橋梁抗震體系采用類型Ⅰ：地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩——順橋向位于墩底，橫橋向位于系梁、墩頂和墩底；基礎(chǔ)、支座和墩柱的抗剪按照能力保護(hù)原則來設(shè)計(jì)。

2.3地震動(dòng)輸入-設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

根據(jù)巖土工程勘察基礎(chǔ)資料，本工程場地分區(qū)特征周期0.45 s，地震動(dòng)加速度為0.1 g。結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05。根據(jù)規(guī)范，本工程橋梁水平向反應(yīng)譜見圖3。

圖3　水平向反應(yīng)譜

3　動(dòng)力分析模型與動(dòng)力特性分析

考慮土-下部結(jié)構(gòu)-上部結(jié)構(gòu)的共同協(xié)同工作抵抗縱、橫橋向地震作用。利用“m”法計(jì)算基礎(chǔ)剛度，考慮基礎(chǔ)對橋梁地震效應(yīng)的影響；采用抗震型盆式橡膠支座，根據(jù)規(guī)范及廠家提供的產(chǎn)品參數(shù)確定支座剛度；考慮相鄰聯(lián)橋梁重量的影響。

3.1計(jì)算模型

橋梁動(dòng)力計(jì)算模型見圖4。

圖4　動(dòng)力計(jì)算模型

考慮到本橋橋墩為雙柱式橋墩，由框架墩橫向受力分析的需要，特建立橫向計(jì)算模型見圖5。

3.2動(dòng)力特性

分析和認(rèn)識(shí)橋梁的動(dòng)力特性是進(jìn)行抗震性能分析的基礎(chǔ)。表1給出了橋梁前8階自由振動(dòng)的周期。

圖5　框架墩橫向計(jì)算模型

表1　前8階振型

4　橋梁地震反應(yīng)譜分析

采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對該橋進(jìn)行抗震性能分析。E1水準(zhǔn)下采用毛截面剛度；E2水準(zhǔn)下延性構(gòu)件采用折減剛度，其他構(gòu)件采用毛截面剛度。

4.1墩底截面承載能力驗(yàn)算

按照壓彎構(gòu)件計(jì)算邊墩和中墩底截面的承載能力，見表2。

表2　墩底截面承載能力驗(yàn)算

從表2可見，E1地震作用下，橋墩處于彈性范圍內(nèi)。E2地震作用下，制動(dòng)墩縱向以及各墩橫向已進(jìn)入塑性。

4.2斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

將永久作用和地震作用進(jìn)行最不利組合，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行M-分析，計(jì)算橋梁各個(gè)控制截面的抗彎能力，從而得到墩柱的剪力設(shè)計(jì)值。

延性雙柱墩柱沿順橋向剪力設(shè)計(jì)值按式（1）計(jì)算：

延性雙柱墩柱沿橫橋向剪力設(shè)計(jì)值按式（2）計(jì)算：

墩柱抗剪按照能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)，按照《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》7.4，運(yùn)用MathCAD自編程序驗(yàn)算，各墩柱斜截面抗剪強(qiáng)度均滿足要求，見表3。

表3　塑性鉸區(qū)域（含潛在）斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算　kN

4.3墩柱變形驗(yàn)算

圖6、圖7分別為E2地震下縱向最大平動(dòng)位移圖和橫向最大平動(dòng)位移圖。

圖6　縱向最大平動(dòng)位移（單位：m）

圖7　橫向最大平動(dòng)位移（單位：m）

E2地震下，縱向容許位移根據(jù)規(guī)范《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 166-2011式7.3.4得

X向位移容許值為：

橫向容許位移根據(jù)規(guī)范《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ 166-2011 7.3.7，在墩柱處頂部施加水平力F，進(jìn)行非線性靜力分析，當(dāng)墩柱的任一塑性鉸達(dá)到其最大容許轉(zhuǎn)角或塑性鉸區(qū)控制截面達(dá)到其最大容許曲率時(shí)，柱頂處的橫向水平位移即為容許位移。由MIDAS/Civil V7.8.0版有限元計(jì)算分析程序建立橫向受力模型，運(yùn)用pushover工具，主要步驟為：

（1）通過迭代計(jì)算得到墩底（頂）處于塑性屈服狀態(tài)時(shí)的軸力，由M-分析求出極限破壞狀態(tài)的曲率，除以安全系數(shù)2得到最大容許曲率；

（2）通過pushover工具得到塑性鉸達(dá)到最大容許曲率時(shí)的步數(shù)，再由該步數(shù)得到對應(yīng)屈服狀態(tài)墩頂?shù)臋M向位移。

分析得：橫向容許位移△u=6.2 cm＞4.4 cm。

主墩變形驗(yàn)算結(jié)論見表4。

表4　塑性鉸區(qū)域（含潛在）容許變形驗(yàn)算m

4.4支座水平力及水平位移驗(yàn)算

主墩、邊墩支座均選擇抗震型盆式支座，其水平承載力不小于豎向承載力的26%。對于縱橫向，計(jì)算各墩最不利剪力設(shè)計(jì)值，如對于P23墩（固定墩）根據(jù)計(jì)算結(jié)果最終選用的支座規(guī)格為17.5 MN，20 cm檔，見表5。

表5　盆式支座水平力及水平位移驗(yàn)算　kN·m

根據(jù)規(guī)范，在進(jìn)行支座抗震驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)計(jì)入50%均勻溫度作用效應(yīng)。本橋設(shè)計(jì)均勻升降溫均為30℃，50%均勻溫差引起的主墩支座反力和變形都很小，與地震作用疊加后，所選支座抗剪承載力滿足要求，容許位移均滿足要求。

同時(shí)該橋應(yīng)在每個(gè)墩頂設(shè)置抗震擋塊，防止落梁。

5　墩柱構(gòu)造措施

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》第8章的規(guī)定，本工程橋梁延性構(gòu)造措施如下：

（1）墩柱上彎矩超過最大彎矩80%范圍內(nèi)，箍筋采用加密布置，間距為100 mm；

（2）墩身箍筋采用直徑等于16 mm的HRB400級(jí)鋼筋；

（3）墩身縱向鋼筋對稱布置，縱向鋼筋的面積均大于0.006Ah，且不超過0.04Ah，其中Ah為墩柱截面面積；

（4）螺旋式箍筋的接頭采用對接，矩形箍筋應(yīng)有135°彎勾，并伸入核心混凝土之內(nèi)6ds以上；

（5）墩柱縱向鋼筋伸至承臺(tái)的另一側(cè)面，縱向鋼筋的錨固和搭接長度應(yīng)在現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62）要求的基礎(chǔ)上增加10ds，ds為縱向鋼筋直徑，不應(yīng)在塑性鉸區(qū)域進(jìn)行縱向鋼筋的連接；

（6）塑性鉸加密區(qū)域配置的箍筋深入到承臺(tái)1.0 m。

6　結(jié)語

大量震害資料表明，下部結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)的破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的主要原因。橋梁墩臺(tái)和基礎(chǔ)的震害主要是由于受到較大的水平地震力，瞬時(shí)反振動(dòng)在相對薄弱的截面產(chǎn)生破壞而引起的。一般比較高柔的橋墩，多為彎曲型破壞；而矮粗的橋墩，多為剪切破壞。由于彎曲破壞屬延性破壞，剪切破壞屬脆性破壞，抗震延性設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)“強(qiáng)剪弱彎”，應(yīng)避免脆性破壞。

最新版《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》關(guān)于計(jì)算分析方面的內(nèi)容介紹較少，設(shè)計(jì)人員需準(zhǔn)確理解新規(guī)范的概念規(guī)定，并將其運(yùn)用到實(shí)際的橋梁設(shè)計(jì)中，指導(dǎo)橋梁設(shè)計(jì)。特對本次抗震設(shè)計(jì)總結(jié)如下：

（1）可通過合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)提高墩柱潛在塑性鉸區(qū)的延性性能，如：合理設(shè)置約束箍筋的數(shù)量、間距及直徑，及箍筋的端部應(yīng)做135°彎鉤并伸入核心混凝土中。

（2）抗震設(shè)計(jì)中，可通過提高墩柱的橫向鋼筋配置提高構(gòu)件的抗剪能力，使彎曲破壞先于剪切破壞。

（3）對于雙柱墩，可通過合理的節(jié)點(diǎn)配筋避免墩柱節(jié)點(diǎn)的剪切破壞。

［1］袁萬城，胡勃，范立礎(chǔ).柱式橋墩橫向抗震性能評價(jià)［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，1996，21（6）:601.

［2］CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.

［4］范立礎(chǔ).橋梁抗震［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

［5］葉愛君，管仲國.橋梁抗震［M］.北京:人民交通出版社，2011.

U442.5+5

B

1009-7716（2016）06-0132-04

2016-02-23

賈奮宗（1983-），女，內(nèi)蒙古五原人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。