高烈度區(qū)城市高架橋鋼橋墩抗震構(gòu)造措施研究

曲慧

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

高烈度區(qū)城市高架橋鋼橋墩抗震構(gòu)造措施研究

曲慧

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

隨著我國(guó)大中城市對(duì)基本設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展，越來(lái)越多的鋼結(jié)構(gòu)橋梁被更為廣泛應(yīng)用。但我國(guó)公路和城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)鋼橋墩應(yīng)采用的抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)并未規(guī)定。為了使鋼橋墩在高烈度區(qū)更為安全的應(yīng)用，總結(jié)過(guò)去鋼橋墩發(fā)生的震害現(xiàn)象并分析破壞機(jī)理。對(duì)世界上主流的抗震規(guī)范中關(guān)于鋼橋墩抗震構(gòu)造措施的規(guī)定進(jìn)行比較，得出日本抗震規(guī)范較為全面的包含了鋼橋墩應(yīng)采用的抗震構(gòu)造措施規(guī)定。以其為依據(jù)，舉例說(shuō)明其在國(guó)內(nèi)一在建城市高架橋梁鋼橋墩抗震設(shè)計(jì)上的具體應(yīng)用細(xì)節(jié)，為今后同類橋梁抗震設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。

門式框架鋼橋墩；震害總結(jié)；中外規(guī)范比較；抗震構(gòu)造措施

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)大中型城市基本上都進(jìn)入以地鐵、輕軌等快速化交通為主的現(xiàn)代公共交通建設(shè)階段，這使得城市建設(shè)用地顯得更為緊張，在一個(gè)共同空間上如何合理的布置地鐵、高架橋梁和地面道路，讓稀缺的城市建設(shè)用地被充分合理科學(xué)的使用，正成為城市建設(shè)的一個(gè)關(guān)鍵課題。

本文的背景工程位于山西省太原市，項(xiàng)目以地鐵建設(shè)為契機(jī)，對(duì)現(xiàn)狀道路進(jìn)行快速化改造升級(jí)，由于在平面上新建高架橋梁和地面道路中心線與地鐵車站段和盾構(gòu)段中心線重合，導(dǎo)致高架橋梁與地鐵工程結(jié)構(gòu)物空間上密集重疊，使兩種工程結(jié)構(gòu)物的建設(shè)條件均受到很大約束，使結(jié)構(gòu)受力均處于復(fù)雜的環(huán)境中，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)、管理均提出更高的要求。同時(shí)項(xiàng)目所在地區(qū)為抗震設(shè)防烈度8區(qū)，屬于高烈度地區(qū)，在高架橋梁建設(shè)的空間同一斷面中，地面以下還有地鐵工程結(jié)構(gòu)物，因此為了盡量減輕地上橋梁結(jié)構(gòu)自重和橋梁基礎(chǔ)的規(guī)模，加快橋梁建設(shè)速度，選擇高架橋梁的上下部結(jié)構(gòu)均為鋼結(jié)構(gòu)，以減少高架橋梁與地鐵結(jié)構(gòu)物之間的相互影響。

由于我國(guó)在高烈度區(qū)高架橋梁上使用鋼橋墩的工程案例較少，國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于采用鋼橋墩的橋梁抗震設(shè)計(jì)方法只有指導(dǎo)性的意見，并未涵蓋鋼橋墩應(yīng)采用的具體抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)方法。而本工程采用的門式框架鋼橋墩構(gòu)造形式和受力較為復(fù)雜，在地震作用下不僅要通過(guò)控制應(yīng)力來(lái)保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度，還要通過(guò)合理的抗震構(gòu)造措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)在往復(fù)地震作用下的抗震性能，保證結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的安全性。因此本文首先對(duì)現(xiàn)有鋼橋墩的震害進(jìn)行總結(jié)，其次對(duì)各國(guó)規(guī)范中鋼橋墩抗震構(gòu)造措施進(jìn)行比較和總結(jié)，最后闡述本工程項(xiàng)目中鋼橋墩抗震構(gòu)造措施的應(yīng)用情況，為同類橋梁的抗震設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用。

1 震害總結(jié)和損傷機(jī)理分析[1,2]

鋼橋墩在美國(guó)、日本、歐洲等國(guó)家的高速公路橋和城市高架橋中應(yīng)用較為廣泛，其中經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈地震并發(fā)生過(guò)震害的工程主要集中于日本。日本是地震多發(fā)國(guó)家，1995年日本遭遇震級(jí)7.2級(jí)阪神大地震（內(nèi)陸直下型地震），震源深度約為14km，造成了大量高速公路橋和城市高架橋毀壞，其中鋼橋墩在地震中破壞嚴(yán)重。此次地震中鋼橋墩的震害形式主要有鋼橋墩墩底部位屈曲，矩形截面橋墩墩底角部及人孔焊接部位開裂，螺栓連接部位的螺栓受損，涂層脫落，墩柱倒塌以及墩柱柱腳錨固部位的損傷等。

1.1 鋼板的局部屈曲

城市高架橋常用經(jīng)濟(jì)橋型為連續(xù)梁橋，對(duì)于獨(dú)柱鋼橋墩，墩底部位為承受地震彎矩最大位置，地震作用時(shí)最易發(fā)生損傷。在阪神大地震中，圖1為沒(méi)有設(shè)置縱向加勁肋的2.2m圓形截面獨(dú)柱橋墩在截面圓周方向范圍內(nèi)發(fā)生屈曲損傷的震害照片。

圖1 圓形截面鋼橋墩?qǐng)A周方向的鋼板屈曲

1.2 縱向加勁肋的局部屈曲

鋼橋墩柱腳部位是鋼柱與混凝土基礎(chǔ)之間的重要連接節(jié)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)間力的順利傳遞的關(guān)鍵部位。在鋼橋墩柱腳部位從鋼結(jié)構(gòu)防腐和鋼墩防撞的角度考慮，均會(huì)在鋼橋墩根部距離地面一定高度開始在鋼橋墩外部設(shè)置包角混凝土，并在鋼橋墩內(nèi)部填充混凝土。這使得鋼橋墩墩底混凝土截面與交接面以上空心鋼結(jié)構(gòu)截面剛度相差較大，成為地震易損部位。在阪神大地震中，圖2為矩形截面鋼橋墩墩底鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)交接面上，空心鋼結(jié)構(gòu)截面的縱向加勁肋之間發(fā)生局部屈曲的震害照片。

圖2 矩形截面鋼橋墩鋼板屈曲

1.3 局部屈曲變形引起的斷裂

對(duì)于矩形截面鋼橋墩，因加勁板局部屈曲變形擴(kuò)大導(dǎo)致矩形截面內(nèi)腹板和頂?shù)装遛D(zhuǎn)角處焊縫沿豎向斷裂，其破壞模式見圖3。對(duì)于圓形截面鋼橋墩，加勁板局部屈曲導(dǎo)致的變形集中在最初出現(xiàn)局部屈曲的位置，沿圓周方向累計(jì)和發(fā)展，最終圓形截面橋墩變形后傾斜或截面產(chǎn)生裂縫甚至斷裂。其破壞模式見圖4，圖5為阪神地震中圓形截面鋼橋墩由于局部屈曲累計(jì)導(dǎo)致的斷裂震害照片。這種損傷模式會(huì)使橋墩失去對(duì)豎向荷載的傳遞能力，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)傾斜或者倒塌。

圖3 矩形斷面橋墩角部破裂

圖4 圓形斷面橋墩傾斜、破裂

圖5 圓形截面鋼橋墩局部屈曲部位開裂

1.4 應(yīng)力集中部位低周疲勞產(chǎn)生的裂縫

對(duì)于門式框架橋墩，與獨(dú)柱墩相比除了墩底為彎矩最大處外，框架的梁柱節(jié)點(diǎn)部位也是彎矩、剪力耦合受力較大部位，在地震往復(fù)荷載作用下，極易在梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中處出現(xiàn)低周疲勞產(chǎn)生裂縫或斷裂。圖6為框架鋼橋墩梁柱角部節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生裂縫的脆性破壞震害照片。

圖6 框架鋼橋墩梁柱角部脆性破壞

2 各國(guó)規(guī)范比較

目前世界上主要的5個(gè)橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范分別為美國(guó)抗震規(guī)范AASHTO、美國(guó)加州抗震規(guī)范Caltrans、歐洲抗震規(guī)范Eurocode8、日本抗震規(guī)范道路橋示方書V耐震篇和我國(guó)的城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.1 美國(guó)抗震規(guī)范

美國(guó)抗震規(guī)范《AASHTOGuildeSpecifications forLRFDSeismicBridgeDesign》（2009年）適用于跨徑不超過(guò)150m的普通標(biāo)準(zhǔn)梁橋，規(guī)范中沒(méi)有關(guān)于鋼橋墩的抗震構(gòu)造措施規(guī)定。

2.2 美國(guó)加州抗震規(guī)范

美國(guó)加州抗震規(guī)范《CaltransSeismicDesign Criteria(Version1.6)》（2010年）適用于跨徑不超過(guò)90m的普通標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土橋梁，規(guī)范內(nèi)容不覆蓋鋼結(jié)構(gòu)橋梁。

2.3 歐洲橋梁抗震規(guī)范

歐洲抗震規(guī)范《Eurocode8-Designofstructure forearthquakeresistance-Part2：Bridges》（2009年）適用于梁橋，在第6章抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，僅對(duì)鋼筋混凝土墩柱構(gòu)造進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋墩的抗震構(gòu)造措施并未進(jìn)行規(guī)定。

2.4 日本抗震規(guī)范[3,4]

日本《道路橋示方書V耐震篇》（2002年）適用于跨徑不超過(guò)200m的橋梁。規(guī)范中第11章第三節(jié)中規(guī)定了鋼橋墩詳細(xì)的構(gòu)造措施來(lái)預(yù)防鋼橋墩在強(qiáng)震作用下發(fā)生脆性破壞，確保其有足夠的韌性。規(guī)范中規(guī)定的構(gòu)造細(xì)節(jié)如下：

對(duì)于矩形斷面橋墩，在腹板與頂?shù)装逍纬傻慕遣繅|放角板作為角部增強(qiáng)構(gòu)造，見圖7（a）,或?qū)⒔遣吭O(shè)計(jì)為圓弧狀，無(wú)需進(jìn)行角部焊接，見圖7（b）。角部的焊接部位作為全斷面焊入群焊或者通過(guò)K坡口進(jìn)行的部分焊入群焊（鈍邊約為2mm），且使用了可以保證板厚方向機(jī)械性能的z向鋼材的構(gòu)造。同時(shí)通過(guò)減小鋼板的寬厚比可以增強(qiáng)鋼板的剛性以增強(qiáng)韌性，提高矩形截面橋墩的抗震性能。

圖7 矩形斷面橋墩抗震構(gòu)造措施

對(duì)于圓形橋墩斷面，可在橋墩主體的周圍增設(shè)套管構(gòu)造，見圖8（a），其目的是在圓形截面橋墩局部壓屈變形超過(guò)一定程度后內(nèi)層鋼管與外層鋼管接觸，使壓屈波形多段化，通過(guò)分散變形而防止變形集中而產(chǎn)生破裂?；蛲ㄟ^(guò)設(shè)置足夠的縱向加勁肋以增強(qiáng)鋼管的剛度，防止燈籠式壓屈破壞，見圖8（b）。同時(shí)可通過(guò)限制鋼管的徑厚比，可以提高鋼管的變形能力，防止變形集中引起鋼管破裂。

圖8 圓形斷面橋墩抗震構(gòu)造措施

為了防止空鋼管橋墩墩底部位被車輛撞擊，一般會(huì)在墩底部填充混凝土，矩形截面鋼橋墩混凝土填充頂部位置應(yīng)在墩內(nèi)設(shè)置橫隔板，以限制矩形截面變形，防止角部產(chǎn)生破裂。

2.5 中國(guó)城市橋梁抗震規(guī)范

我國(guó)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）,雖然適用于所有的城市梁式橋，但在第八章抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)中，僅對(duì)鋼筋混凝土墩柱構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋墩的抗震構(gòu)造措施并未進(jìn)行規(guī)定。

從上面的比較可以看出，這5本規(guī)范均適用于城市高架橋梁中最常采用的橋型：梁橋，其中美國(guó)加州規(guī)范Caltrans僅適用于普通標(biāo)準(zhǔn)鋼筋混凝土橋梁，其余4本規(guī)范對(duì)鋼橋和鋼筋混凝土橋梁均適用。但這4本規(guī)范中，僅有日本抗震規(guī)范對(duì)鋼橋墩抗震構(gòu)造措施進(jìn)行了較為細(xì)致的規(guī)定，其余規(guī)范僅對(duì)鋼橋墩的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)抗震構(gòu)造措施方面沒(méi)有相關(guān)規(guī)定。因此本文背景項(xiàng)目中鋼橋墩的抗震構(gòu)造措施參考日本抗震規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證橋墩在強(qiáng)震作用下有足夠的韌性，防止脆性破壞的發(fā)生。

3 工程概況和鋼橋墩抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

本工程位于山西省太原市尖草坪區(qū)為“Y”形部分互通城市立交橋，由于主線橋梁全線與地鐵2號(hào)線區(qū)間段和西澗河站站房段共線，主線全線橋梁跨徑布置均受地鐵結(jié)構(gòu)物影響限制，因此主線全線橋梁上部結(jié)構(gòu)均采用等高度鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)橋墩均采用矩形截面門式框架鋼橋墩。高架橋梁與地鐵車站共線段典型斷面布置見圖9。

圖9 高架橋梁與地鐵車站共線段典型橫斷面布置圖（單位：m）

3.2鋼橋墩抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

本工程所處場(chǎng)址地震基本烈度為8度區(qū)（0.20g），主線和匝道橋梁上部結(jié)構(gòu)均為連續(xù)鋼箱梁，主線和匝道橋梁共用下部結(jié)構(gòu)采用橋墩形式為門式框架矩形截面鋼橋墩。選取主線與兩側(cè)匝道平行且與地下地鐵車站構(gòu)筑物共線段中一聯(lián)等高度三跨連續(xù)鋼箱梁橋?yàn)槔?，?duì)鋼橋墩的抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)論述。例橋跨徑布置為43.5m+56m+ 36m，聯(lián)長(zhǎng)135.5m，主梁梁高2.3m，主線寬23.5m，匝道寬8.5m，聯(lián)內(nèi)主線與匝道均共用門式框架墩，平均墩高為21.6m，框架墩立柱截面尺寸為3.0m×2.0m（縱橋向×橫橋向），橫橋向立柱壁厚為48mm，縱橋向立柱壁厚為40mm，立柱斷面見圖10，框架墩橫梁截面尺寸為3.0m×2.5m（縱橋向×橫橋向），梁端位置橫梁腹板和頂?shù)装灞诤窬鶠?0mm，跨中位置橫梁腹板壁厚為20mm，頂?shù)装灞诤駷?0mm。

圖10 例橋框架墩立柱斷面圖（單位：mm）

依據(jù)日本抗震規(guī)范，對(duì)于矩形鋼橋墩應(yīng)采用角部增強(qiáng)構(gòu)造。本例所采用的矩形鋼立柱斷面中橫橋向角部增強(qiáng)部位的占有寬度2c為2×0.3=0.6m，截面橫橋向?qū)挾萣為2.0m，2c/b=0.30＞0.25，縱橋向2c/b=0.25，角部增強(qiáng)構(gòu)造在各邊占有寬度對(duì)全寬的比例均大于25%；其次角部增強(qiáng)加勁肋的寬厚比為角部增強(qiáng)肋的板寬（mm），tc為角部增強(qiáng)肋的板厚（mm），σy為鋼材的標(biāo)準(zhǔn)屈服點(diǎn)（N/mm2），E為鋼材的彈性模量，v為鋼材的泊松比。通過(guò)這樣的構(gòu)造設(shè)計(jì)可以保障角部作為閉口斷面構(gòu)造，即使變形過(guò)大也可以保持角部的角度，防止角部焊接部位破裂，墩柱喪失豎向承載能力。同時(shí)對(duì)于門式框架鋼橋墩，為了防止立柱與橫梁交接位置應(yīng)力集中，應(yīng)采用梁柱節(jié)點(diǎn)角部腹板倒圓角過(guò)度，以有效緩解應(yīng)力集中，提高節(jié)點(diǎn)位置的抗震性能，緩解應(yīng)力集中的構(gòu)造細(xì)節(jié)見圖11。

圖11 門式框架鋼橋墩梁柱節(jié)點(diǎn)角部緩解應(yīng)力集中構(gòu)造細(xì)節(jié)

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)城市高架橋鋼橋墩震害的總結(jié)和各國(guó)抗震規(guī)范的比較，可以得到以下結(jié)論：

（1）地震中鋼橋墩的震害形式主要有墩底部位屈曲，矩形截面橋墩墩底角部及人孔焊接部位的開裂，螺栓連接部位的螺栓受損，涂層脫落，墩柱倒塌以及墩柱柱腳錨固部位的損傷等。

（2）我國(guó)《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ166-2011）雖然適用于所有的梁式橋，但僅對(duì)鋼筋混凝土墩柱構(gòu)造細(xì)節(jié)進(jìn)行了規(guī)定，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋墩可以選擇日本抗震規(guī)范作為國(guó)內(nèi)規(guī)范的補(bǔ)充，用于指導(dǎo)鋼橋墩的抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

（3）通過(guò)國(guó)內(nèi)某在建高架橋鋼橋墩抗震細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)可以看出，對(duì)于門式框架鋼橋墩抗震細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)關(guān)鍵主要在于對(duì)矩形截面鋼橋墩角部加強(qiáng)設(shè)計(jì)和框架梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中部位的緩解應(yīng)力細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，可為今后同類橋梁抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)提供一定的借鑒作用，圖12為例橋框架鋼橋墩施工現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖12 例橋框架鋼橋墩施工現(xiàn)場(chǎng)照片（主線未架設(shè)階段）

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U442.5+5

：B

：1009-7716（2017）02-0081-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.024

2016-11-28

曲慧（1984-），女，遼寧撫順人，工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析工作。