地震高烈度地區(qū)高墩預(yù)制橋梁抗震性能分析

張軍

【摘 要】?常見高墩預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)形式為多跨簡支結(jié)構(gòu)、板式橡膠支座及樁柱式基礎(chǔ)。在高烈度地震下的防落梁、能力保護(hù)構(gòu)件性能問題威脅橋梁整體抗震性能。文章以某全長1 083 m，最高墩46.3 m的城市高墩預(yù)制橋梁為背景，對高墩預(yù)制橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能分析以及對抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化。分析結(jié)論可為同類橋梁抗震設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】高墩; 抗震; 能力保護(hù)構(gòu)件; 優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，多級設(shè)防的抗震設(shè)計(jì)思路已被廣泛接受。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法由原來的單一設(shè)防水準(zhǔn)一階段設(shè)計(jì)逐漸發(fā)展兩水準(zhǔn)或三水準(zhǔn)設(shè)防兩階段設(shè)計(jì)、三階段設(shè)計(jì)，以及多水準(zhǔn)設(shè)防、多性能目標(biāo)準(zhǔn)則的基于性能的抗震設(shè)計(jì)方法。其中，分別采用對應(yīng)于重現(xiàn)期475年的E1地震作用和重現(xiàn)期2500年的E2地震作用進(jìn)行兩水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)方法（兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法）被廣泛應(yīng)用，為我國CJ 166-2011《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（本文后續(xù)稱“規(guī)范”）采用的設(shè)計(jì)方法。

城市高墩預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁下不同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)橋梁，預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁通常采用板式橡膠支座，相比起現(xiàn)澆橋梁通常采用可約束固定的盆式支座而言，地震作用下的梁體位移更大;而高墩結(jié)構(gòu)通常在E2地震作用下進(jìn)入塑性，其塑性鉸區(qū)的性能需要進(jìn)行研究。而作為能力保護(hù)構(gòu)件的橋墩抗剪、蓋梁可能需要增強(qiáng)構(gòu)造或者配筋，以實(shí)現(xiàn)能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)原則。

1 工程概況

某城市快速路橋梁，設(shè)計(jì)車速80 km/h;地震基本烈度Ⅶ度，地震動(dòng)加速度峰值系數(shù)0.1g。全橋共10聯(lián)：（1×30+3×40+4×40+4×25+5×25+4×25+4×40+4×40+1×25+4×25） m，單幅標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?2.5 m;上部結(jié)構(gòu)采用除第1孔采用應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁外，其它均為預(yù)應(yīng)（后張）簡支T梁，橋面連續(xù);下部結(jié)構(gòu)橋臺座板臺，擴(kuò)大基礎(chǔ)。27號～31號橋墩采用空心變截面墩，其余橋墩采用柱式墩，橋墩采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)規(guī)范，該橋梁抗震設(shè)防分類為乙類，在E1地震作用下應(yīng)使結(jié)構(gòu)處于彈性范圍，E2作用下允許有限損傷（圖1）。

2 抗震分析

2.1 抗震分析模型

本橋全長1 081.5 m，若全橋建模則模型體量巨大，分析困難?？紤]耦聯(lián)作用及模態(tài)影響，選取第2～3、7～10聯(lián)為高墩（>30 m）區(qū)域，需重點(diǎn)關(guān)注其抗震性能，其余聯(lián)由于墩高較矮（或?yàn)樯w梁+樁基模式），其地震作用起控制作用，可作為邊界條件進(jìn)行建模。橋梁分左、右幅，左幅略寬于右幅，取左幅進(jìn)行建模。

在橋梁的地震反應(yīng)分析中，為了獲得準(zhǔn)確的地震響應(yīng)結(jié)果，需模擬樁-土效應(yīng)，其彈簧剛度根據(jù)土層狀況、土層剛度和樁的布置形式按靜力等效的原則計(jì)算。采用m法模擬土彈簧剛度時(shí)，地基系數(shù)的比例系數(shù)m在JTG 3363-2019《公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中取值范圍較大，可參考《地基系數(shù)的比例系數(shù)m的確定》[1]，以土的變形模量E0作為m取值。

25 m跨T梁支座采用GBZJ350×450×69（CR）、GBZJH350×450×71（CR）;40 m跨T梁支座采用GBZJ400×450×84（CR）、GBZJH400×450×86（CR）;現(xiàn)澆箱梁采用GPZ（II）-4.5-GD/SX/DX支座。支座線彈性剛度取值見表1。

采用MIDAS軟件進(jìn)行建模計(jì)算，以順橋向?yàn)閄軸，橫橋向?yàn)閅軸，豎向?yàn)閆軸。全橋分兩部分建模，1～4聯(lián)有限元空間模型如圖2所示。

采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，并分別考慮E1地震和E2地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。采用Lanczos法計(jì)算結(jié)構(gòu)前150階自振頻率，并保證順橋向振型參與質(zhì)量達(dá)到99.72 %，橫橋向振型參與質(zhì)量達(dá)到99.72 %，滿足規(guī)范要求。

2.2 支座位移分析

罕遇地震作用下，需對支座橡膠厚度和抗滑穩(wěn)定性能進(jìn)行驗(yàn)算，確保支座具有足夠的抗水平位移能力，避免落梁現(xiàn)象。

本橋常遇E1地震+恒載+溫度效應(yīng)作用下，水平位移和滑動(dòng)力驗(yàn)算均無法通過規(guī)范要求，即梁體存在滑落風(fēng)險(xiǎn)（表2、表3）。

以上結(jié)果可見，E2作用下，支座的相對位移和滑動(dòng)力進(jìn)一步增大，難以滿足規(guī)范要求。大量高烈度地震區(qū)預(yù)制橋梁計(jì)算表明，使用板式橡膠支座的橋梁，地震作用下均存在落梁風(fēng)險(xiǎn)，對此類橋梁建議增設(shè)防落梁措施。

預(yù)制T梁防落梁通常有以下措施：①梁底安裝防落梁緩沖鏈;②梁端設(shè)置拉桿;③橫向設(shè)置擋塊;④采用高阻尼隔震橡膠支座。以上方案中前三者為構(gòu)造措施，采用高阻尼橡膠支座則是通過改變結(jié)構(gòu)剛度和阻尼特性來改善梁體位移。

本橋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，除了采取構(gòu)造措施確保防落梁，還采用了高阻尼隔震橡膠支座。25 m跨T梁采用HDR（I）-370×420×187-G1.0型;40 m跨T梁采用HDR（I）-420×420×187-G1.0型。

由于高阻尼隔震支座容許剪切方向屈服，因此僅控制剪切方向位移即可，經(jīng)過驗(yàn)算所有支座剪切位移均滿足要求（表4）。

對6～10聯(lián)的計(jì)算結(jié)果也呈現(xiàn)同樣結(jié)果。由于本文涉及的模型為常規(guī)橋梁，上、下部結(jié)構(gòu)均為通用圖模式，可認(rèn)為分析結(jié)果具有一定普遍性。說明對于高烈度地震區(qū)的高墩預(yù)制橋梁，采用普通板式支座時(shí)，梁體在地震作用下滑落問題不可忽略，必須增設(shè)可靠防落梁措施確保支座位移。由于高阻尼隔震橡膠支座通常具有較強(qiáng)的彈性剛度和剪切變形能力，采用高阻尼橡膠支座+防落梁構(gòu)造措施的方式最為可靠。

2.3 能力保護(hù)構(gòu)件蓋梁構(gòu)造分析

本橋橋墩在E2地震作用下進(jìn)入塑性，采用延性設(shè)計(jì)，蓋梁的彎矩設(shè)計(jì)值應(yīng)根據(jù)恒載彎矩和墩頂截面超強(qiáng)彎矩計(jì)算，計(jì)算過程參照規(guī)范相關(guān)規(guī)定。

由于墩徑2.2 m橋墩超強(qiáng)彎矩值顯著大于其余墩徑，蓋梁設(shè)計(jì)彎矩值受2.2 m墩的墩頂超強(qiáng)彎矩值控制。根據(jù)墩頂超強(qiáng)彎矩和蓋梁恒載彎矩可得蓋梁作為能力保護(hù)構(gòu)件時(shí)，設(shè)計(jì)彎矩見表5。

本橋蓋梁采用T型斷面形式，頂寬2.4 m，底寬1.3 m，如圖3所示。

觀察蓋梁上表以超強(qiáng)彎矩為依據(jù)的設(shè)計(jì)值可見，蓋梁設(shè)計(jì)彎矩值很大，高于此類橋梁靜力分析時(shí)的蓋梁設(shè)計(jì)彎矩值，且正負(fù)彎矩差值較小。采用T型截面蓋梁時(shí)，正彎矩區(qū)由于寬度窄，配筋率受限，當(dāng)頂?shù)撞捎猛纫?guī)格和間距配筋時(shí)，承載力之比約為1.4∶1;根據(jù)計(jì)算底層鋼筋采用3層HRB50028@10 cm，正彎矩承載能力22 833 kN·m，滿足能力保護(hù)構(gòu)件要求，安全系數(shù)k=1.05。底面鋼筋層數(shù)多，布置間距小，對于混凝土的澆筑質(zhì)量和保護(hù)層設(shè)置等要求較高。考慮到結(jié)構(gòu)采用了減隔震支座時(shí)，為了讓減隔震設(shè)施作用耗能最大化，應(yīng)避免橋墩進(jìn)入塑性，避免引起更大的位移及修復(fù)困難。 若橋墩在E2地震作用下維持彈性，則蓋梁作為能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)內(nèi)力仍允許用E2地震作用計(jì)算得到的內(nèi)力進(jìn)行，蓋梁承載力的控制性因素為靜力分析，此時(shí)負(fù)彎矩設(shè)計(jì)值大于正彎矩，采用T型蓋梁具有合理性（圖3）。優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，增強(qiáng)了橋墩配筋，并參考JTGT 2231-01-2020《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮采用了高阻尼隔震支座的剛度、阻尼修正，使橋墩在E2作用下為彈性，地震耗能構(gòu)件采用支座，因此蓋梁的承載能力由靜力控制，采用T型蓋梁各項(xiàng)驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求，且更加經(jīng)濟(jì)美觀。

3 結(jié)論

本文對某全長1 083 m，最高墩46.3 m的城市高墩預(yù)制橋梁進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)分析，并針對地震作用下支座位移、蓋梁截面形式選擇的問題進(jìn)行一定程度優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

（1）對于高烈度地震區(qū)的高墩預(yù)制橋梁，采用普通板式支座時(shí)，梁體在地震作用下滑落問題必須重視，應(yīng)增設(shè)防落梁措施減少支座相對位移。高阻尼隔震橡膠支座具有較強(qiáng)的彈性剛度和剪切變形能力，采用高阻尼橡膠支座+防落梁構(gòu)造措施的方式較為可靠;

（2）當(dāng)橋墩按照延性構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，橋墩蓋梁的正負(fù)彎矩設(shè)計(jì)值相當(dāng)，蓋梁截面宜采用矩形等截面進(jìn)行設(shè)計(jì);當(dāng)橋墩在E2作用下仍保持彈性時(shí)，蓋梁由靜力分析控制其設(shè)計(jì)承載力，推薦采用T型蓋梁

參考文獻(xiàn)

[1] 李俊，強(qiáng)士中，李小珍.地基系數(shù)的比例系數(shù)m的確定[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2004（11）：83-85.

[2] CJJ166-2011 城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTG/T 2231-01-2020 公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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