高烈度地區(qū)城市高架橋抗震設(shè)計探討

武慶喜

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730030）

1 抗震體系選擇

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震體系有兩種，即延性抗震體系和減隔震抗震體系。

延性抗震體系通過橋墩的彈塑性變形耗能；減隔震抗震體系通過橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)件耗能，一般采用減隔振支座。設(shè)計時，只能選擇其中一種抗震體系，不能同時選用兩種體系。

城市高架橋具有上部結(jié)構(gòu)梁體寬、自重大，下部結(jié)構(gòu)墩柱剛度大、自振周期短等特點。

地震時，高烈度地區(qū)城市高架橋的墩柱受力比較大，采用延性抗震體系會使墩柱、基礎(chǔ)的工程量顯著增加，方案的經(jīng)濟性較差。

有研究表明，與延性抗震體系相比，對中、矮墩采用減隔震體系更經(jīng)濟，隨著墩高增大，經(jīng)濟性差異逐漸減小。采用減隔震體系的橋梁在震后不需要維修或只需簡單維修，可以快速恢復使用，對城市交通的影響較小。城市高架橋多采用中、矮墩，墩高在15 m內(nèi)。

高烈度地區(qū)高架橋抗震體系宜首選減隔震體系，橋梁減隔震設(shè)計常采用減隔震裝置，包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座和摩擦擺式支座。

2 抗震分析建模原則

2.1 減隔震抗震分析方法

減隔震支座具有非線性特性，采用減隔震體系的橋梁屬于非規(guī)則橋梁，減隔震橋梁應(yīng)采用非線性動力時程分析方法或多模態(tài)反應(yīng)譜法進行抗震分析。

（1）減隔震橋梁的基本周期（隔振周期）大于3 s。

（2）減隔震橋梁的等效阻尼比超過30%。

（3）考慮豎向地震作用。

2.2 建模原則及參數(shù)選擇

（1）計算模型應(yīng)考慮相鄰結(jié)構(gòu)和邊界條件的影響，通常將計算模型相鄰聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)作為邊界條件，否則不能真實反映過渡墩的地震效應(yīng)。

（2）樁土效應(yīng)采用土彈簧模擬，彈簧剛度采用m法計算或在承臺底加6個方向的彈簧等效模擬，彈簧剛度根據(jù)土層狀況和樁布置按m法計算，一般情況下，m動=（2～3）m靜。

（3）在計算模型中，梁體和墩柱采用空間桿系單元模擬，預應(yīng)力箱梁宜保留預應(yīng)力鋼束作用。忽略箱梁預應(yīng)力作用時，支座反力會有較大差異，引起墩柱地震作用效應(yīng)偏差。

（4）抗震支座采用雙線性恢復力模型模擬，根據(jù)支座恒載支反力設(shè)計位移，合理確定支座的特征強度、線性剛度、屈后剛度和等效剛度等參數(shù)。

（5）橫橋向和縱橋向的振型、剛度、阻尼比不同，在反應(yīng)譜分析和時程分析時的橫橋向、縱橋向抗震分析均應(yīng)單獨建立模型計算。

3 工程概況

橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置（單位：mm）

橫斷面布置如圖2所示。

圖2 橫斷面布置（單位：mm）

某城市高架橋部分引橋孔跨布置為30 m+4×30 m+3×35 m，對4×30 m聯(lián)進行分析。

上部結(jié)構(gòu)采用預應(yīng)力混凝土等高連續(xù)箱梁，橋?qū)挾葹?4.5 m，梁高1.8 m。

橋墩采用分離式柱式墩，墩柱截面尺寸為2 m×2 m，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m；支座采用摩擦擺減隔震支座，最大允許位移200 mm。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），橋址區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震動峰值加速度0.30g，地震動加速度反應(yīng)譜特征周期0.4 s，地震分組為第二組。根據(jù)鉆孔剪切波測試結(jié)果可知，橋址區(qū)為Ⅱ類場地。

支反力及支座選型如表1所示。

表1 支反力及支座選型

4 反應(yīng)譜分析

4.1 反應(yīng)譜迭代計算

減隔震裝置具有非線性特性，反應(yīng)譜法是一種線性分析方法，采用反應(yīng)譜法進行抗震計算時應(yīng)采用等效剛度、等效阻尼比和等效阻尼修正后的反應(yīng)譜進行計算。

分析前，減隔震裝置的位移是知，等效剛度和等效阻尼比也未知，反應(yīng)譜法分析是一個迭代過程。

（1）建立橋梁抗震計算模型，初始計算時的各支座剛度取初始剛度，全橋等效阻尼比取0.05。

（2）首次計算后，得到各支座位移，根據(jù)位移計算支座等效剛度、全橋等效阻尼比，根據(jù)全橋等效阻尼比修正設(shè)計加速度反應(yīng)譜值。

（3）重新進行抗震計算，再次得到各支座位移，新的位移值與上次計算結(jié)果相差大于3%時，繼續(xù)修正支座等效剛度、全橋等效阻尼比和設(shè)計加速度反應(yīng)譜值，進行迭代計算，前后兩次計算的位移誤差小于3%時，迭代結(jié)束。

4.2 計算結(jié)果

反應(yīng)譜計算參數(shù)及結(jié)果如表2所示。

表2 反應(yīng)譜計算參數(shù)及結(jié)果

由表2可知，橋梁隔振周期隨著迭代次數(shù)增加而增大，從2.10 s增大至4.22 s，在第一次迭代結(jié)束后，隔振周期已大于3 s，本工程抗震分析必須采用非線性動力時程方法。

分析支座位移結(jié)果，迭代終止時支座位移達661 mm，遠大于抗震支座的允許位移（200 mm），其位移計算結(jié)果不合理。

5 時程分析

5.1 地震波選取

已完成地震安全性評價工程，可以根據(jù)地震安全性評價結(jié)果確定地震波。

對于未做地震安全性評價的場地，可以根據(jù)規(guī)范設(shè)計加速度反應(yīng)譜人工擬合地震波，也可以通過時域方法調(diào)整實際地震的地震波，使其加速度反應(yīng)譜與規(guī)范設(shè)計加速度反應(yīng)譜相匹配。時程分析至少需要3組地震波，計算結(jié)果取最大值；采用7組以上地震波時，計算結(jié)果取平均值，本次采用3組擬合地震波。

5.2 計算結(jié)果

以縱向地震計算為例，計算結(jié)果取3組地震波的最大值，墩底內(nèi)力及支座位移如表3所示。

表3 墩底內(nèi)力及支座位移

樁基礎(chǔ)最內(nèi)力如表4所示。

表4 樁基礎(chǔ)最內(nèi)力

5.3 抗震驗算

進行橋墩、基礎(chǔ)的驗算時，應(yīng)將地震作用乘以0.667的折減系數(shù)，按現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）進行配筋驗算。樁基礎(chǔ)豎向承載力的驗算不包含地震作用。

6 結(jié)語

高烈度地區(qū)城市高架采用中、矮墩（橋墩高度不大于15 m）時，宜采用減隔震抗震體系。采用反應(yīng)譜法進行減隔震設(shè)計時，支座等效剛度、全橋等效阻尼比和設(shè)計加速度反應(yīng)譜值應(yīng)進行迭代計算；減隔震橋梁基本周期（隔振周期）大于3 s或等效阻尼比超過30%時，反應(yīng)譜抗震計算結(jié)果不準確，必須采用非線性動力時程方法。