城市公路橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震研究

葛粟粟,李 揚(yáng)

（1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司西安分院,陜西 西安 710065; 2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 引言

橋梁抗震設(shè)計(jì)一直都是橋梁整體設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)問題，在地震動荷載作用下橋梁主體位移破壞和橋墩破壞較為嚴(yán)重。我國橋梁抗震設(shè)計(jì)研究從20世紀(jì)50年代到90年代主要采用彈性抗震設(shè)計(jì)[1]方法，由于該方法操作簡便，容易被現(xiàn)場施工技術(shù)人員接受，但橋梁經(jīng)受地震持續(xù)作用后橋面和橋墩損害嚴(yán)重，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮強(qiáng)度要求，難以滿足橋梁結(jié)構(gòu)抗震要求。因此，在進(jìn)行橋體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要保證橋墩和基礎(chǔ)的變形耗能和延伸性能。

1 橋梁設(shè)計(jì)方法改進(jìn)

1.1 抗震設(shè)計(jì)方法改進(jìn)

以往橋梁抗震設(shè)計(jì)方法主要采用反應(yīng)譜法，以靜力分析法[2]為主，缺少對橋體下部結(jié)構(gòu)的抗震變形和延性的考慮，隨著人們對地震作用機(jī)理和破壞特點(diǎn)的了解，在原有靜力解析法和反應(yīng)譜法的基礎(chǔ)上，將非線性運(yùn)動方程和非線性靜力分析法引入橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使橋梁下部結(jié)構(gòu)滿足地震時(shí)的變形設(shè)計(jì)要求。

1.2 抗震設(shè)計(jì)規(guī)范改進(jìn)

早期橋梁抗震設(shè)計(jì)主要是針對橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，將地震等外荷載當(dāng)做靜荷載進(jìn)行研究，在地震后對橋梁破壞情況總結(jié)分析后提出了延性抗震設(shè)計(jì)[3]方法，但該方法依然屬于對整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改進(jìn)，對橋梁經(jīng)下部受地震時(shí)的水平方向和豎向變形缺少考慮。由于我國早期橋梁建造時(shí)經(jīng)濟(jì)等因素的限制，設(shè)計(jì)規(guī)范時(shí)允許橋梁主體在地震作用下發(fā)生塑性變形，這樣的設(shè)計(jì)理念顯然是不合適的，有學(xué)者提出基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，在20世紀(jì)90年代，才將基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法引入到規(guī)范中。

1.3 抗震技術(shù)的應(yīng)用

早期抗震設(shè)計(jì)主要從提升橋梁下部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形能力來提升橋梁整體的抗震能力，這種橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能承受地震能量從土體內(nèi)部傳到至橋墩基礎(chǔ)，但如何找到能抵抗地震能量沖擊的橋墩基礎(chǔ)的原料，一直是橋梁抗震設(shè)計(jì)要面對的主要問題。現(xiàn)有的抗震技術(shù)通過設(shè)置塑性鉸鏈和設(shè)計(jì)細(xì)部構(gòu)造來減小橋梁在地震時(shí)主體結(jié)構(gòu)垮塌，但橋墩基礎(chǔ)的損壞是不可避免的，經(jīng)受地震波作用后的橋墩基礎(chǔ)大多不能滿足橋梁原設(shè)計(jì)時(shí)的承載力要求。因此，經(jīng)歷過強(qiáng)震的橋梁在后期改建時(shí)往往從原橋梁附近修建新的橋梁。也有相關(guān)研究人員提出了主控制技術(shù)、被動控制技術(shù)、減隔震技術(shù)[4]等抗震技術(shù)手段，其技術(shù)原理是將地震時(shí)可能發(fā)生較大水平變形的運(yùn)動支座與上部結(jié)構(gòu)分隔開，減小地震能量對上部結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)。

2 橋梁下部抗震設(shè)計(jì)優(yōu)化

為研究橋梁下部結(jié)構(gòu)在地震動荷載作用下的破壞變形規(guī)律，優(yōu)化橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用Midas/Civil軟件建立預(yù)應(yīng)力混凝土T型梁模型，橋梁總長120 m，每跨布置6片T型梁，間距2.1 m，每個(gè)橋墩布置三個(gè)橡膠支座，橋梁下部為雙墩結(jié)構(gòu)，T型梁采用C50混凝土，橋墩及蓋梁采用C40混凝土，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。該橋梁位于市區(qū)二級公路，抗震烈度等級為四度，水平向地震震動峰值加速度為0.5 g。

表1 數(shù)值模擬橡膠支座參數(shù)

在進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，蓋梁、橋墩、T梁和橫系梁采用梁單元模擬，橡膠支座與橋墩連接方式為彈性連接，分別建立5~40 m共8種不同的橋墩高度來研究不同橋墩高度下，地震荷載對橋墩破壞的影響。橋墩直徑為2.0 m，橋墩高度小于10 m的設(shè)置橫系梁，橋墩高度在15~20 m的設(shè)置1道系梁，橋墩高度在25~30 m的設(shè)置2道系梁，橋墩高度在35~40 m設(shè)置3道系梁，其他參數(shù)保持相同。

圖1 橋墩高度在5 m的模型示意圖

在進(jìn)行橋墩抗震性能測試時(shí)，選擇能力需求比來評價(jià)其抗震性能。驗(yàn)證內(nèi)容為在E1和E2地震波作用下橋墩的抗彎和抗剪強(qiáng)度。圖2為地震球波波形圖。在進(jìn)行橋墩抗彎和抗剪能力需求比計(jì)算時(shí)，橋墩抗彎需求值取橋墩截面初始屈服彎矩，即橋墩截面的屈服彎矩強(qiáng)度沒有超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度，且橋墩在地震球波作用下整體結(jié)構(gòu)處于彈性變形范圍，橋墩的初始屈服彎矩由截面彎矩曲率計(jì)算得出。在橋墩進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí)，由于公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范沒有針對橋墩偏心受壓或受拉構(gòu)件的抗剪計(jì)算公式，因此，橋墩截面抗剪計(jì)算參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行驗(yàn)算，其中，橋墩的鋼筋與混凝土均按照設(shè)計(jì)強(qiáng)度取值。

圖2 地震球波波形圖

表2和表3分別為在不同地震波作用下，橋墩截面在縱橋向和橫橋向的抗彎、抗剪能力需求比值表。從表中可以看出橋墩高度從5 m增大到40 m的過程中，抗彎能力需求比和抗剪能力需求比均大于1，橋墩整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，滿足《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG004—89）中對橋梁的設(shè)防要求，但在《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（GTG/TB—2008）中提出了兩水準(zhǔn)設(shè)防要求，因此還需要檢測橋梁在水準(zhǔn)地震作用下的抗彎、抗剪能力需求比是否滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 橋墩抗彎強(qiáng)度能力比

表3 橋墩抗剪強(qiáng)度能力比

表4和表5為在E2地震波作用下橋墩截面的抗彎、抗剪強(qiáng)度能力比，橋墩的抗彎強(qiáng)度計(jì)算取等效屈服強(qiáng)度，允許橋墩在地震波作用下發(fā)生有限破壞，抗彎和抗剪驗(yàn)算參照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（GTG/TB—2008），初始軸力取地震動荷載和恒定荷載的組合軸力，橋墩鋼筋與混凝土均取設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值。

從表4和表5可以看出，在地震波E2作用下，橋墩高度在5~40 m變化時(shí)，橋墩底面的縱向抗彎能力需求比均小于1，橋墩高度在5~30 m時(shí)，橋墩橫橋向抗剪能力需求比也小于1，橋墩處于失穩(wěn)狀態(tài)，不滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，因此需要對橋墩進(jìn)行加固設(shè)計(jì)。

表4 橋墩抗彎強(qiáng)度能力比

表5 橋墩抗剪強(qiáng)度能力比

綜合各橋墩在地震波E1和E2作用下的抗彎和抗剪能力需求比變化，橋墩高度為35 m和40 m時(shí)，其抗震性能符合現(xiàn)行規(guī)范要求，但在E2地震波的作用下大部分橋墩都不符合《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（GTG/TB—2008）規(guī)定，為了提高橋梁整體的抗震性能，應(yīng)該對橋墩設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。

3 城市公路橋墩抗震變形研究

通過對近年來混凝土橋墩在地震后破壞特點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在地震波作用下橋墩破壞以剪切破壞為主?，F(xiàn)階段我國對城市混凝土橋墩抗震變形研究[5]主要分為兩個(gè)方面，第一是預(yù)測橋墩在不同地震等級作用下預(yù)變形量大小，第二是采用新的橋墩設(shè)計(jì)方案使橋墩在經(jīng)受地震后變形處于可控范圍內(nèi)。

針對第一方面抗震變形研究主要集中在橋墩數(shù)值模擬技術(shù)分析上，在橋墩變形數(shù)值模擬時(shí)大多采用非線性有限元模型[6]和集中塑性鉸模型，為了研究橋墩的抗剪能力還引入了彎剪數(shù)值分析模型。國內(nèi)外很多學(xué)者對混凝土橋墩的抗震變形能力進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在地震動荷載作用下影響橋墩變形的因素眾多，包括橋墩塑性區(qū)箍筋用量、橋墩截面形狀、橋墩的跨度比、軸壓比以及外力加載路徑均會對橋墩破壞形式產(chǎn)生較大影響。對第二方面的主要研究內(nèi)容是橋墩在塑性鉸區(qū)的箍筋用量和橋墩在水平動荷載下的抗剪切變形能力。

4 結(jié)語

該文通過對我國現(xiàn)行抗震規(guī)范的主要內(nèi)容和改進(jìn)方向進(jìn)行了梳理總結(jié)，對公路橋梁地震后的破壞形式和特點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。通過數(shù)值模擬研究了在不同地震波作用下，橋墩高度改變對橋墩抗彎和抗剪能力的影響，發(fā)現(xiàn)在E2地震波作用下橋墩的抗彎和抗剪能力比都不符合規(guī)范要求，在后續(xù)橋墩設(shè)計(jì)中可適當(dāng)增加橋墩塑性區(qū)箍筋配置或調(diào)整橋梁跨度比來減少地震荷載對橋墩的破壞。