高烈度區(qū)高墩大跨橋梁抗震設(shè)計

胡豐玲

(中設(shè)設(shè)計集團(tuán)，南京 210005)

近年來，高強(qiáng)度地震日益頻繁，高墩橋梁受震害后修復(fù)困難，影響震后生命線的暢通，給地震災(zāi)區(qū)帶來嚴(yán)重的次生災(zāi)害。目前，國內(nèi)外缺乏高墩橋梁震后經(jīng)驗，對其在地震作用下的反應(yīng)行為和抗震性能認(rèn)識不足，大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計規(guī)范僅限于常規(guī)橋梁抗震分析，而對高墩橋梁的抗震設(shè)計未做具體規(guī)定。

高墩橋梁多采用剛構(gòu)方案，對于一般設(shè)計烈度區(qū)，剛構(gòu)方案基本可滿足抗震性能要求，但對于高烈度區(qū)尤其是地質(zhì)條件較差需采用群樁基礎(chǔ)的橋梁，常規(guī)設(shè)計方案很難滿足其抗震性能要求。此時，合理的減隔震設(shè)計，可延長結(jié)構(gòu)周期、增大阻尼，以降低地震動輸入，減小結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。

本文以云南某快速路中一座高墩大跨橋為例，分析其在高烈度區(qū)的地震響應(yīng)，提出合理的抗震設(shè)計及構(gòu)造方案。

1 項目概況

主橋為(42+75+42)m的連續(xù)剛構(gòu)橋，兩側(cè)引橋為30 m的裝配式預(yù)應(yīng)力T梁。主橋上部結(jié)構(gòu)為掛籃懸澆變截面預(yù)應(yīng)力梁，根部梁高4.5 m；跨中處梁高2 m；主墩(6#、7#)采用薄壁實體墩，墩高約30 m，墩身尺寸為10.25 m×2.5 m；群樁基礎(chǔ)，單個承臺下布置6根D180的樁基。

道路等級：城市快速路；汽車荷載：城-A級；地震要求：地震動峰值加速度為0.3 g，抗震設(shè)防烈度為8度，抗震構(gòu)造措施按9度設(shè)防，設(shè)防分類為乙類；地震調(diào)整系數(shù)：橋梁E1作用下取0.61，E2作用下取1.7。

2 抗震計算

2.1 動力分析模型

因本項目橋墩較高、地震烈度大，故采用地震動時程分析法，建立主引橋的三維全橋模型，考慮樁土作用、支座非線性、材料非線性等，對其進(jìn)行縱橫向地震分析，全橋三維簡化模型如圖1所示。

圖1 全橋三維動力分析模型

2.1.1 地震動輸入

根據(jù)地震安評報告，按照《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》§5.1及§5.3規(guī)定，對全橋橫橋向和縱橋向(不考慮豎向地震)分別輸入人工合成地震波，進(jìn)行相應(yīng)的地震分析，如圖2～3所示。

圖2 8度區(qū)0.3 g E1人工合成地震波

圖3 8度區(qū)0.3 g E2人工合成地震波

2.1.2 支座模擬

為合理分析約束對全橋地震作用的影響，分析時分別比選了盆式支座、摩擦擺支座和高阻尼支座。盆式支座采用“一般連接”中“彈簧”，輸入各方向剛度即可；高阻尼支座、摩擦擺支座的力學(xué)及恢復(fù)力模型如圖4～5所示。

圖4 高阻尼支座—等效雙線性恢復(fù)力模型

圖5 摩擦擺支座力學(xué)及恢復(fù)力模型

2.1.3 塑性鉸布置及模擬

地震作用中，橋墩及基礎(chǔ)是抗震設(shè)計的主要部位，而樁基作為隱蔽工程，不允許出現(xiàn)損傷。因此，在高烈度區(qū)，一般使墩身設(shè)計地震慣性力小于地震所產(chǎn)生的彈性慣性力，從而在墩身形成塑性鉸耗能[1]。

本橋在墩底設(shè)置塑性鉸，主墩為空心墩[2]。墩身外圈布置兩層Φ28 mm的鋼筋，分別為252根和248根；內(nèi)圈布置206根Φ20 mm的鋼筋；過渡墩為實心墩，墩柱配置35根Φ28 mm的鋼筋。根據(jù)墩身尺寸及其配筋，定義彈塑性材料特性及M-φ曲線。

2.2 約束形式對地震響應(yīng)的影響分析

方案一：主墩固結(jié)，過渡墩設(shè)盆式橡膠支座。

方案二：主墩、過渡墩均設(shè)摩擦擺支座。

方案三：主墩摩擦擺支座，過渡墩高阻尼橡膠支座。

考慮到E1作用下結(jié)構(gòu)地震效應(yīng)相對較小[3]，因此，本文僅羅列出E2作用下墩底內(nèi)力，方案一、方案二和方案三主橋墩底內(nèi)力分別如表1～3所示。

通過對上述各方案中橋墩、樁基進(jìn)行抗震設(shè)計后發(fā)現(xiàn)：

(1) 該橋位于0.3 g的高設(shè)防烈度區(qū)內(nèi)，橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)較大，采用普通盆式支座，樁基難以按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計。

(2) 采用摩擦擺支座，墩身順橋向彎矩降低為70%～75%，橫橋向主墩降低為30%～40%；過渡墩增大為140%～190%，但從數(shù)值上看，主墩、邊墩分配上更合理。

表1 方案一主橋墩底內(nèi)力一覽表

表2 方案二主橋墩底內(nèi)力一覽表

表3 方案三主橋墩底內(nèi)力一覽表

(續(xù)表)

(3) 采用高阻尼支座，主墩順橋向彎矩降低為84%～90%，橫橋向主墩降低為30%～40%；過渡墩增大為130%～150%，但從數(shù)值上看，主墩、邊墩分配更合理。

3 抗震方案設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)動力特性

根據(jù)上述結(jié)論，本項目主橋主墩采用固結(jié)，過渡墩采用摩擦擺支座，引橋T梁采用高阻尼橡膠支座。

表4 全橋前4階振型分析結(jié)果

3.2 橋墩變形驗算

E2地震作用下，主橋主墩、過渡墩墩身最不利內(nèi)力如表5所示，橋墩墩頂位置如表6所示。

表5 E2地震作用下橋墩內(nèi)力

表6 E2地震橋墩墩頂位移 (cm)

3.3 橋墩塑性鉸抗剪驗算

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》第7.4.2條，對塑性鉸區(qū)域進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗算，結(jié)果如表7所示。

表7 E2地震橋墩墩身塑性鉸抗剪驗算 (kN)

3.4 樁基強(qiáng)度驗算

E2地震作用下，主墩墩底進(jìn)入塑性，樁基礎(chǔ)作為能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，取最不利樁基驗算，結(jié)果如表8所示。

表8 E2地震作用樁基驗算

3.5 設(shè)置“保險絲式單元”

在本橋抗震設(shè)計中，支座因其易更換性，墩身塑性鉸區(qū)域因其可修復(fù)性，被選定為“保險絲式單元”。在發(fā)生破壞性地震時，支座優(yōu)先損壞，墩身允許可修復(fù)損傷，以確保隱蔽工程樁基作為能力保護(hù)構(gòu)件不發(fā)生損傷。

3.6 “多道設(shè)防、分級耗能”的設(shè)防手段

第一道防線：支座→彈塑性變形→分擔(dān)水平荷載，延緩并減小橋墩塑性區(qū)損失發(fā)生。

第二道防線：支座錨固失效→支座、限位構(gòu)造發(fā)揮耗能作用。

第三道防線：支座變形較大(但傳遞路徑不中斷)→墩身、防落梁裝置和縱向支撐長度共同作用→發(fā)揮耗能及限位→防止落梁和側(cè)向倒塌[4]。

3.6.1 支座設(shè)計

主橋支座選用承載能力高、穩(wěn)定性好、復(fù)位功能和抗平扭能力強(qiáng)的摩擦擺式減隔震支座；引橋支座采用水平變位能力強(qiáng)、阻尼效果好、結(jié)構(gòu)復(fù)位能力強(qiáng)的高阻尼橡膠支座。

3.6.2 抗震擋塊設(shè)計

支座與擋塊的間隙大小視其在地震中主要作用而定。如擋塊僅用來防止意料之外的地震大位移下的落梁，則其間隙越大越好；若擋塊需承受支座破壞后的水平力，則擋塊與梁體間的距離應(yīng)適當(dāng)取小值，擋塊按剪力鍵設(shè)計。

本橋擋塊作為第二級設(shè)防手段，在支座失效后除保證不落梁外，還承擔(dān)一定耗能功能。因此，擋塊厚度須保證其抗剪強(qiáng)度與墩身強(qiáng)度相匹配，按照“小震、中震不壞，大震必壞”的設(shè)計原則確定其尺寸和配筋。

4 結(jié)語

通過對本橋建立多種動力計算模型，分析其在罕遇地震下的地震反應(yīng)，并對橋墩進(jìn)行延性設(shè)計，對樁基進(jìn)行彈性設(shè)計，得出如下結(jié)論：

(1) 高烈度區(qū)橋梁常規(guī)設(shè)計時地震響應(yīng)較大，作為能力保護(hù)構(gòu)件的基礎(chǔ)一般難以保證在地震作用中不受損傷。

(2) 合理的減隔震措施可有效降低橋梁地震響應(yīng)，如設(shè)置減隔震支座、擋塊等，從而有效降低墩柱及基礎(chǔ)構(gòu)造配置。

(3) 應(yīng)根據(jù)橋梁各構(gòu)件后期檢測、修復(fù)、更換的難易程度，提出多道防線、分級耗能、區(qū)別設(shè)計的設(shè)計理念，可有效提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，降低工程造價。

(4) 對于重要的、受力復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)，可通過改善構(gòu)件受力性能和增強(qiáng)其變形能力，增強(qiáng)整個橋梁結(jié)構(gòu)抵抗強(qiáng)震和超預(yù)期地震破壞的能力。