延性抗震體系下橋梁支座水平承載能力分析

□文 /袁有為

自2008年汶川地震以來(lái)，橋梁抗震問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注，國(guó)內(nèi)橋梁抗震研究也越來(lái)越深入，一系列新的橋梁抗震設(shè)計(jì)新規(guī)范相繼頒布，支座作為橋梁中重要的傳力構(gòu)件，其承載能力直接關(guān)系到橋梁延性抗震體系是否成立。

1 橋梁抗震體系的發(fā)展

在橋梁的抗震體系方面，美國(guó)AASHTO規(guī)范和中國(guó)的橋梁抗震規(guī)范均規(guī)定了混凝土結(jié)構(gòu)橋梁的兩種抗震體系：延性體系和減隔震體系。延性體系橋梁的抗震原理：在多遇地震下結(jié)構(gòu)應(yīng)保持彈性，在罕遇地震下結(jié)構(gòu)可進(jìn)入延性狀態(tài)。在罕遇地震作用下，使橋墩頂部或底部作為“保險(xiǎn)絲單元”而率先達(dá)到彈性強(qiáng)度限制并通過(guò)其塑性變形和耗能以延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期且耗散地震能量[1]。減隔震體系的原理：在上下部結(jié)構(gòu)之間引入減隔震裝置，通過(guò)其塑性變形來(lái)耗散地震能量并延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)周期，達(dá)到降低結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的目的。

自從1971年美國(guó)圣福爾南多地震發(fā)生后，延性設(shè)計(jì)理念得到了國(guó)際上的普遍重視和認(rèn)可，延性體系相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單可靠，技術(shù)成熟，目前絕大多數(shù)常規(guī)橋梁均采用延性體系進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；而減隔震體系目前主要用于高烈度地區(qū)的大跨徑橋梁。

能力保護(hù)理論是延性抗震體系非常重要的設(shè)計(jì)方法和思想，于20世紀(jì)70年代由新西蘭學(xué)者首次提出。能力保護(hù)理論的主要原理：為防止脆性破壞模式的發(fā)生，須保證大震下的損壞部位發(fā)生在預(yù)設(shè)的延性構(gòu)件上，因而支座、基礎(chǔ)等非延性構(gòu)件應(yīng)作為“能力保護(hù)單元”而具有比“保險(xiǎn)絲單元”更強(qiáng)的承載力[2]。簡(jiǎn)而言之，就是通過(guò)設(shè)計(jì)使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級(jí)差異，進(jìn)而確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性破壞。

2 規(guī)范對(duì)延性抗震體系的規(guī)定

從20世紀(jì)中葉起，延性抗震理論就逐漸被一些國(guó)家的抗震規(guī)范所采用。20世紀(jì)70年代以后，新西蘭、美國(guó)、歐洲、日本以及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的橋梁抗震規(guī)范中先后針對(duì)延性體系設(shè)計(jì)理論采用了能力保護(hù)方法。我國(guó)在2008年以后頒布的幾部橋梁抗震規(guī)范也引入了能力保護(hù)方法。

2008年以前，我國(guó)的橋梁抗震規(guī)范尚不成熟，一些國(guó)際上的前沿理論和技術(shù)并沒(méi)有系統(tǒng)地體現(xiàn)在中國(guó)抗震規(guī)范中，這一時(shí)期的橋梁抗震規(guī)范可以認(rèn)為是第一代規(guī)范，如JTJ 004—89《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等，這些規(guī)范均未對(duì)延性體系的設(shè)計(jì)做出充分詳細(xì)的規(guī)定，也未引入能力保護(hù)的原則。

2008年汶川地震發(fā)生后，我國(guó)在橋梁抗震領(lǐng)域的研究不斷深入，陸續(xù)頒布了幾部橋梁抗震規(guī)范，如JTG/TB 02-01—2008《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》、CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、JTGB 02—2013《公路工程抗震規(guī)范》、GB 50909—2014《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》等，這幾部規(guī)范更好地與國(guó)際先進(jìn)理論和成熟規(guī)范接軌，可以認(rèn)為是第二代抗震規(guī)范。其中，GB 50909—2014采用了更加開(kāi)放的基于性能的設(shè)計(jì)理念，但并未對(duì)抗震計(jì)算細(xì)節(jié)做出明確規(guī)定。除此之外，第二代規(guī)范均系統(tǒng)規(guī)定了延性抗震設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，也引入了能力保護(hù)方法以保證結(jié)構(gòu)的延性。

3 新老規(guī)范對(duì)支座水平力的不同要求

3.1 第一代抗震規(guī)范的支座水平力需求

式中：FhE為固定端的水平地震力；Ag為地震動(dòng)峰值加速度；md為簡(jiǎn)支梁一孔梁和橋面的質(zhì)量；μ為活動(dòng)支座的摩擦系數(shù)；Ra為活動(dòng)支座的反力。

3.2 第二代抗震規(guī)范的支座水平力需求

GB50909—2014采用了更加開(kāi)放的基于性能的設(shè)計(jì)理念，并未對(duì)抗震計(jì)算細(xì)節(jié)做出明確規(guī)定。但JTG/TB 02-01—2008、CJJ166—2011 及 JTGB02—2013 均引入了延性抗震設(shè)計(jì)思想和能力保護(hù)原則，充分考慮了能力保護(hù)構(gòu)件和塑性鉸區(qū)域的承載能力關(guān)系，保證塑性鉸區(qū)能夠率先達(dá)到彈性強(qiáng)度限值并保證在任何地震水平下支座、基礎(chǔ)等非延性部位均不發(fā)生破壞。其中支座水平地震力的計(jì)算

式中：V為一個(gè)支座所承受的地震水平力；φ0為截面受彎承載力超強(qiáng)系數(shù)，一般取1.2；Μu為橋墩塑性鉸截面的極限彎矩；n為一個(gè)墩位承擔(dān)地震水平力的支座個(gè)數(shù)，H為懸臂墩的墩高。

由式（2）可以看出，支座水平力主要取決于橋墩塑性鉸區(qū)的極限彎矩和墩高，而橋墩塑性鉸的極限彎矩取決于橋墩的截面尺寸和配筋，這也間接反映了地震加速度水平、上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量、橋梁整體動(dòng)力特性等因素。

3.3 兩代抗震規(guī)范的支座水平力需求對(duì)比

用兩代抗震規(guī)范、兩種抗震計(jì)算思想分別對(duì)8度區(qū)IV類場(chǎng)地條件下軌道交通30 m跨簡(jiǎn)支現(xiàn)澆梁橋和3×30 m跨連續(xù)現(xiàn)澆梁橋進(jìn)行支座水平力需求對(duì)比計(jì)算。

第一代規(guī)范以GB 50111—2006為例，第二代規(guī)范以CJJ 166—2011為例，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 30 m簡(jiǎn)支梁支座水平力對(duì)比

圖2 3×30 m連續(xù)梁支座水平力對(duì)比

根據(jù)GB 50111—2006的支座地震水平力計(jì)算公式，30 m簡(jiǎn)支梁橋固定支座水平力與豎向承載力的比值為30%，3×30 m連續(xù)梁橋的比值為23%，與墩高并無(wú)關(guān)系。而根據(jù)CJJ 166—2011的計(jì)算公式，30 m簡(jiǎn)支梁橋固定支座的水平力比值在64%～80%之間，3×30 m連續(xù)梁橋的比值在46%～61%之間。

4 結(jié)論

1）根據(jù)第二代規(guī)范（基于能力保護(hù)思想）計(jì)算的支座水平力需求遠(yuǎn)大于第一代規(guī)范（基于傳統(tǒng)等強(qiáng)度思想）計(jì)算的支座水平力需求，二者之間的比值約為2.0～2.7，因此新一代抗震規(guī)范對(duì)延性體系橋梁支座的水平承載力提出了更高要求。

2）我國(guó)早期的JTJ 004—89《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)支座水平地震力的計(jì)算規(guī)定較為相似，均采用靜力抗震分析法進(jìn)行計(jì)算，未考慮橋梁整體自振特性和動(dòng)力因素的影響，更未采用能力保護(hù)的原則來(lái)設(shè)置強(qiáng)度等級(jí)差，是一種等強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法。以GB50111-2006的計(jì)算公式為例可以看出，支座水平地震力是按設(shè)計(jì)地震（重現(xiàn)期475 a）進(jìn)行計(jì)算，其大小主要取決于上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，而與下部結(jié)構(gòu)形式及尺寸、墩高等因素均無(wú)關(guān)。

3）延性抗震體系下，橋梁的支座水平承載力和墩柱塑性鉸區(qū)的屈服彎矩密切相關(guān)[3]，在考慮現(xiàn)有的橋梁支座技術(shù)水平、工程經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)，橋梁墩柱的配筋應(yīng)進(jìn)行充分的優(yōu)化。