高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋運(yùn)營(yíng)期抗震性能評(píng)價(jià)

劉國(guó)華，梅延坤

（山東高速工程檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

引言

我國(guó)是一個(gè)多地震國(guó)家，自唐山地震以來，抗震防災(zāi)工作日益受到重視。地震災(zāi)害近幾年也在我國(guó)西南和西北部頻頻發(fā)生，如2008 年汶川地震，2010 年青海玉樹縣地震，2021 年青海果洛州瑪多縣地震。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心介紹，這標(biāo)志中國(guó)有可能進(jìn)入新的大陸活動(dòng)活躍時(shí)段。專家預(yù)測(cè)，我國(guó)正面臨一個(gè)新的地震活躍期。到目前為止，橋梁工程因地震毀壞并不少見，鑒于橋梁工程在經(jīng)濟(jì)、交通等各方面占據(jù)的特殊重要的地位，以及二十世紀(jì)出現(xiàn)的幾次慘重的地震災(zāi)害的教訓(xùn)，必須進(jìn)行合理的抗震性能評(píng)價(jià)［1］。

公路橋梁工程是生命線系統(tǒng)工程中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在抗震救災(zāi)中，路網(wǎng)是搶救人民生命財(cái)產(chǎn)和盡快恢復(fù)生產(chǎn)、重建家園、減輕次生災(zāi)害的重要環(huán)節(jié)。近年來，國(guó)內(nèi)外橋梁工程抗震性能評(píng)價(jià)、加固改造實(shí)踐和震害經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)既有公路高墩大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行抗震性能評(píng)價(jià)，并對(duì)不滿足評(píng)價(jià)要求的橋梁工程采取適當(dāng)?shù)目拐鸺庸谈脑鞂?duì)策，是減輕地震損毀的重要途徑。

1 工程概況

某橋橋長(zhǎng)420 m，上部結(jié)構(gòu)為75 m +2×135 m+75 m 連續(xù)剛構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)為雙薄壁空心墩，最大墩高104 m。平面位于半徑為1 225 m 的圓曲線上，超高橫坡度為2%。地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，屬于地震設(shè)防烈度Ⅷ度區(qū)。橋梁布置見圖1。

圖1 橋梁布置/cm

2 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和地震動(dòng)參數(shù)

2.1 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

該橋地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，屬于地震設(shè)防烈度Ⅷ度區(qū)，按《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/ T 2231-01—2020）［2］中的規(guī)定屬于B 類橋梁，采用E1地震作用（50 a 超越概率10%）和E2 地震作用（50 a超越概率3%）兩種地震動(dòng)水平進(jìn)行抗震設(shè)防。相應(yīng)的性能目標(biāo)：遭受E1 地震作用時(shí)，主橋橋墩、過渡墩以及各橋墩樁基礎(chǔ)基本不發(fā)生損傷或不需要修復(fù)可繼續(xù)使用；遭受E2 地震作用時(shí)，應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)加固修復(fù)后仍可繼續(xù)使用。

2.2 地震動(dòng)參數(shù)

2.2.1 反應(yīng)譜

根據(jù)橋梁地震安全性評(píng)價(jià)工作報(bào)告，50 a10 %超越概率下水平加速度峰值為79.4 gal，3%超越概率下水平加速度峰值為133.8 gal，豎向加速度峰值乘以相應(yīng)譜比函數(shù)R 可得水平加速度峰值。各參數(shù)取值見表1。

表1 50 a 超越概率下各參數(shù)取值

地震動(dòng)輸入分別采取縱向與橫向兩種方式，振型組合采用CQC 法，方向組合采用SRSS 法［3］。E1 地震作用和E2 地震作用下地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線見圖2、圖3，用作橋梁兩種超越概率的反應(yīng)譜分析。

圖2 地震動(dòng)加速度E1 反應(yīng)譜曲線

圖3 地震動(dòng)加速度E2 反應(yīng)譜曲線

2.2.2 加速度時(shí)程曲線

根據(jù)橋梁地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告提供的反應(yīng)譜曲線轉(zhuǎn)化為E1 地震輸入與E2 地震動(dòng)輸入情況下的加速度時(shí)程曲線，用于本橋非線性時(shí)程分析。時(shí)程曲線見圖4、圖5。

圖4 E1 時(shí)程曲線

圖5 E2 時(shí)程曲線

3 空間動(dòng)力分析模型

采用通用有限元分析軟件CSI Bridge 建立橋梁模型。建模原則：（1）計(jì)算模型的梁體和墩柱采用空間梁?jiǎn)卧M，二期鋪裝采用線荷載和面荷載進(jìn)行模擬，作用于主梁上、墩柱和梁體的單元?jiǎng)澐址从辰Y(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力特性。（2）混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比取0.05；進(jìn)行時(shí)程分析時(shí)，采用瑞利阻尼。（3）支座單元正確反映支座的力學(xué)特性。（4）橋梁采用樁柱式基礎(chǔ)，根據(jù)橋址區(qū)地質(zhì)分層情況及砂土液化，采用分層土彈簧模型對(duì)樁基進(jìn)行土層作用力模擬，每隔1 m 施加一個(gè)土彈簧，土層m 值按照地勘報(bào)告中的建議值表取值。橋梁有限元模型見圖6。

圖6 橋梁有限元模型

4 截面驗(yàn)算原則與方法

4.1 截面驗(yàn)算原則

在驗(yàn)算階段，根據(jù)主墩、過渡墩、樁基等重要結(jié)構(gòu)的截面詳細(xì)配筋圖，需要對(duì)關(guān)鍵截面、各橋墩墩底及群樁基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算。鋼筋混凝土橋墩和樁截面的抗彎能力（強(qiáng)度）采用纖維單元進(jìn)行彎矩-曲率（考慮相應(yīng)軸力）分析［4］。

4.2 截面驗(yàn)算方法

將橋墩和樁基截面劃分為纖維單元，在劃分纖維單元時(shí)，混凝土和鋼筋單元分別劃分，鋼筋和混凝土單元分別采用實(shí)際的鋼筋和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。利用實(shí)際的鋼筋和混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，采用截面數(shù)值積分法進(jìn)行彎矩-曲率分析（考慮響應(yīng)軸力），得到彎矩-曲率曲線見圖7。

圖7 等效彎矩的計(jì)算

由圖7 可知：（1）地震水平E1 作用下，墩柱截面和樁基截面要求其在地震作用下的截面彎矩應(yīng)小于截面初始屈服彎矩（考慮軸力）My。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的初始屈服彎矩，因此，當(dāng)?shù)卣鸱磻?yīng)彎矩小于初始屈服彎矩時(shí)，整個(gè)截面保持在彈性，結(jié)構(gòu)基本無損傷。（2）地震水平E2 作用下，墩柱截面和樁基截面要求其在地震作用下的截面彎矩應(yīng)小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq（考慮軸力）。實(shí)際上，由于地震過程的持續(xù)時(shí)間比較短，地震后，由于結(jié)構(gòu)自重，地震過程開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足地震水平E2 作用下局部可發(fā)生可修復(fù)的損傷，地震發(fā)生后，基本不影響車輛通行的性能要求［5］。

5 地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及驗(yàn)算

5.1 E1 地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及驗(yàn)算

在計(jì)算動(dòng)力特性響應(yīng)時(shí)，該橋考慮沿順橋向和橫橋向兩個(gè)水平方向分別與垂直方向進(jìn)行組合，將時(shí)程函數(shù)與反應(yīng)譜函數(shù)共同分析，結(jié)果取三條時(shí)程與反應(yīng)譜的最大值。由表2 可知，在E1 地震響應(yīng)下，橋墩仍然處于彈性階段，沒有發(fā)生屈服，滿足《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/ T 2231-01—2020）［2］要求。

表2 E1 地震響應(yīng)下橋墩截面抗彎強(qiáng)度校核（kN·m）

5.2 E2 地震作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及驗(yàn)算

5.2.1 E2 地震作用下墩柱檢算

橋墩截面抗彎結(jié)果見表3。

表3 E2 地震響應(yīng)下橋墩截面抗彎強(qiáng)度校核/（kN·m）

根據(jù)E1 地震響應(yīng)下的驗(yàn)算原則及方法對(duì)該橋進(jìn)行E2 地震響應(yīng)下的驗(yàn)算，同樣取反應(yīng)譜及三條時(shí)程作用下最不利情況進(jìn)行驗(yàn)算。在E2 地震作用下，大部分墩柱及樁基未達(dá)到等效屈服彎矩，滿足《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG T 2231-01—2020）［2］要求；6#和8#墩頂在E2 順橋向+豎向的地震動(dòng)輸入中，不滿足強(qiáng)度要求，故對(duì)其進(jìn)行墩頂位移驗(yàn)算，結(jié)果表明其墩頂位移延性系數(shù)滿足安全要求。橋墩墩頂位移驗(yàn)算結(jié)果見表4。

表4 E2 地震作用下主墩位移驗(yàn)算/m

5.2.2 E2 地震作用下支座檢算

不考慮溫度作用帶來的支座位移，橋梁盆式支座在E2 地震作用下位移均小于容許滑動(dòng)位移，滿足《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/ T 2231-01—2020）［2］要求。在E2 地震作用下，盆式支座固定方向所受的地震力均大于支座水平允許水平力，支座被剪壞。支座橫橋向水平力驗(yàn)算結(jié)果見表5。

表5 支座橫橋向水平力驗(yàn)算/kN

6 抗震構(gòu)造措施

6.1 防落梁檢查

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG T 2231-01—2020）［5］，梁端至墩、臺(tái)帽或蓋梁邊緣應(yīng)有一定距離，其最小值a 可按a ≥50+0.1 L+0.8 H+0.5 LK計(jì)算，且不應(yīng)小于60 cm，其中L 為一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度，m；H 為支撐一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橋墩的平均高度，橋臺(tái)的高度取值為0；LK為一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的最大單孔跨徑。經(jīng)計(jì)算，引橋5#和9#墩：a=230 cm ≥207.02 cm。

6.2 延性構(gòu)件細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/ T 2231-01—2020）［5］對(duì)縱向鋼筋最小配筋率進(jìn)行驗(yàn)算，1、2#主墩縱筋配筋率為2.08%，滿足要求。

7 結(jié)語

（1）E1 地震作用。在縱、橫橋向地震輸入下，所有墩柱截面最不利截面地震彎矩小于其首次屈服彎矩，截面保持彈性工作狀態(tài)。主墩能力需求比范圍為1.00～6.79，過渡墩能力需求比為1.55～17.43。（2）E2 地震作用。在縱、橫橋向地震輸入下，除6#和8#墩頂截面外所有墩柱及樁基礎(chǔ)最不利截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，截面未進(jìn)入塑性狀態(tài)。主墩能力需求比范圍為1.04～5.95，過渡墩能力需求比為1.02～13.40。對(duì)于6#和8#墩，E2 地震作用下強(qiáng)度驗(yàn)算雖不滿足要求，但經(jīng)pushover 分析可得E2 地震作用下，其墩頂位移延性系數(shù)均小于規(guī)范［2］要求，因此，6#、8#墩頂雖進(jìn)入塑性，但結(jié)構(gòu)依然安全。（3）E2 地震作用下，5#、9#過渡墩處盆式支座活動(dòng)方向位移小于容許滑動(dòng)位移；但固定方向的水平力超過其容許水平力，支座被剪壞，從而喪失其功能，破壞傳力路徑，建議將盆式支座更換為減隔震支座。