橋梁抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)與減隔震技術(shù)的應(yīng)用探究

張家偉

摘要 為了提高橋梁抗震設(shè)計(jì)水平，文章首先總結(jié)了橋梁結(jié)構(gòu)在E1、E2地震作用下的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)，并從橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系和構(gòu)造細(xì)節(jié)（橫向鋼筋、縱筋、節(jié)點(diǎn)等）兩方面分析了橋梁抗震結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。隨后，以某高速公路曲線橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用數(shù)值軟件計(jì)算出其地震響應(yīng)規(guī)律。最后，探討了鉛芯橡膠支座、高阻尼支座的減隔震原理及應(yīng)用效果，研究成果可為橋梁抗震設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 公路橋梁；抗震目標(biāo)；抗震體系；抗震構(gòu)造；地震響應(yīng)；減隔震支座

中圖分類號(hào) U442.55文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0076-03

0 引言

地震是我國(guó)最常見的地質(zhì)災(zāi)害（尤其是山區(qū)丘陵地帶），其破壞力巨大。橋梁是公路沿線重要的構(gòu)造物，在地震作用下容易遭受破壞，比如結(jié)構(gòu)開裂、墩柱傾覆、落梁等，并影響抗震救援工作，從而造成人員傷亡及不良的社會(huì)影響。傳統(tǒng)的橋梁抗震設(shè)計(jì)通過增大結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗變形能力等實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)計(jì)不經(jīng)濟(jì)、不合理。因此，進(jìn)一步研究橋梁抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)及減隔震技術(shù)具有重要意義。

1 橋梁抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)

不同公路橋梁的結(jié)構(gòu)不同，所處的地震烈度區(qū)域不同。在開展橋梁抗震設(shè)計(jì)之前，應(yīng)先明確抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)。

由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）可知，A類、B類、C類橋梁需采用兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防（E1地震作用、E2地震作用），D類橋梁可只采用一水準(zhǔn)抗震設(shè)防（E1地震作用），不同橋梁在不同地震作用下的抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)見表1所示[1]。

2 橋梁抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)抗震體系是指用于抵抗水平向、豎向地震作用的各種橋梁結(jié)構(gòu)的總稱，應(yīng)有可靠、穩(wěn)定的傳力途徑、位移約束及能量耗散位置。在開展橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可基于“能力保護(hù)設(shè)計(jì)”原則，即使橋梁結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件之間存在強(qiáng)度等級(jí)差異，確保結(jié)構(gòu)損傷只出現(xiàn)在延性構(gòu)件上，且不發(fā)生脆性破壞，具體設(shè)計(jì)過程如下[2]：

第一，選擇合理的結(jié)構(gòu)布局。一般情況下，橋梁結(jié)構(gòu)布局越規(guī)則，強(qiáng)度和剛度分布越均勻，抗震性能也越好。

第二，選擇橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下可能出現(xiàn)彎曲塑性鉸的位置，并利用強(qiáng)度和延性設(shè)計(jì)提高塑性鉸區(qū)域的延性能力。以梁橋?yàn)槔?，其彎曲塑性鉸多出現(xiàn)在墩柱上，可將其視作延性構(gòu)件（能發(fā)生彈塑性變形）開展抗震設(shè)計(jì)。雙墩柱梁橋塑性鉸示意如圖1所示。

第三，確定適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度等級(jí)，使產(chǎn)生塑性鉸的構(gòu)件不出現(xiàn)破壞模式。

2.2 橋梁抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)

（1）墩柱橫向鋼筋設(shè)計(jì)。橫向鋼筋可明顯改善公路橋梁墩柱的性能，比如約束塑性鉸區(qū)域的混凝土，提高混凝土抗壓強(qiáng)度、延性、抗剪切強(qiáng)度，以避免縱向鋼筋壓曲。

閉合方式：由于橋梁墩柱的混凝土保護(hù)層在地震作用下容易剝落，不會(huì)對(duì)橫向鋼筋產(chǎn)生約束作用，也難以為橫向鋼筋提供錨固。因此，橫向箍筋可焊接閉合，或者將端部彎過縱向鋼筋到混凝土核心內(nèi)，角度≥135 °。

布置間距：為了防止墩柱縱向鋼筋受豎向承載力壓迫發(fā)生屈曲，橫向箍筋間距不應(yīng)過大。國(guó)外學(xué)者普里斯特利（Priestley）給出了橫向箍筋間距最大值s的計(jì)算公式，見式（1）：

式中，ds——墩柱縱筋直徑（mm）；fu、fy——縱筋屈服強(qiáng)度、縱筋極限強(qiáng)度（MPa）。

《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》基于上述成果，又提出橫向箍筋間距應(yīng)小于10 cm、6ds或b（墩柱截面的短邊寬度）。

最小配筋率：以圓形墩柱截面為例，橋梁抗震設(shè)防烈度?、鞫然颌葧r(shí)，其最小配筋率ρmin可按式（2）計(jì)算；抗震設(shè)防烈度?、燃耙陨蠒r(shí)，最小配筋率應(yīng)適當(dāng)提高。

式中，ηk——墩柱軸壓比；ρt——縱向配筋率（%）；fck、fyh——混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值、橫向箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）。

（2）墩柱縱向鋼筋設(shè)計(jì)。墩柱縱向鋼筋在地震作用下容易出現(xiàn)“黏結(jié)破壞”，故縱向鋼筋在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將其延伸至蓋梁頂面和承臺(tái)底面。同時(shí)，墩柱縱向鋼筋的錨固和搭接長(zhǎng)度應(yīng)在滿足現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上增加10ds，且不應(yīng)在塑性鉸區(qū)域內(nèi)搭接縱向鋼筋。

式中，fcd——混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）。

3 橋梁對(duì)地震作用的響應(yīng)分析

3.1 工程概況

（1）橋梁結(jié)構(gòu)參數(shù)。該文研究對(duì)象為某公路曲線梁橋，其設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅱ級(jí)，抗震設(shè)防等級(jí)為Ⅶ度，上部結(jié)構(gòu)為等截面連續(xù)箱梁（C40混凝土）；跨徑全長(zhǎng)為100 m，跨徑組合為（30+40+30）m，橋面寬度為8.5 m；共設(shè)置4處橋墩（見圖2所示），其中1#墩和4#墩是圓柱形雙柱墩，2#墩和3#墩是圓柱形獨(dú)柱墩，橋墩（C30混凝土）高度約8～10 m；樁基（C30混凝土）采用鉆孔灌注樁，樁徑1.8 m、樁長(zhǎng)20 m，墩柱的抗震構(gòu)造細(xì)節(jié)均按上節(jié)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)，支座采用板式橡膠支座。

（2）地質(zhì)、水文條件。根據(jù)橋梁的鉆探勘察資料，在地面線以下0～2 m，地層為雜填土及黏性土層，呈硬塑狀態(tài)，承載力較弱，土層剪切波速為220 m/s；地面線以下2～8.5 m為粗砂層，呈中硬狀態(tài)，土層剪切波速為330 m/s；地面線以下8.5～15 m為密實(shí)碎石層，呈堅(jiān)硬狀態(tài)，土層剪切波速為520 m/s；地面線以下15 m至樁底嵌入堅(jiān)硬完整的基巖中。

橋梁所在區(qū)域的地下水位較高，尤其是夏季連續(xù)降雨時(shí)段，地下水受到大量補(bǔ)給，其埋深可達(dá)0.5～1.2 m。

3.2 橋梁抗震分析模型

為了驗(yàn)證橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地震作用的響應(yīng)情況，該文基于SAP2000軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算模型。

（1）橋梁結(jié)構(gòu)模擬。上部結(jié)構(gòu)模擬：梁?jiǎn)卧?、板殼單元是公路橋梁抗震?dòng)力分析的常用模擬單元，其中梁?jiǎn)卧慕：?jiǎn)單，可直接計(jì)算截面內(nèi)力，而板殼單元計(jì)算精度更高，但建模工作量較大、對(duì)計(jì)算機(jī)硬件要求高，且無法計(jì)算出截面內(nèi)力。綜合考慮建模效率和計(jì)算準(zhǔn)確性，建議采用SAP2000軟件中的梁?jiǎn)卧M該橋梁的上部結(jié)構(gòu)，將主梁每間隔1 m劃分為1個(gè)單元，共劃分出100個(gè)單元。

支座模擬：該公路橋梁的板式橡膠支座由薄橡膠片和鋼板相互交錯(cuò)而成，是利用橡膠剪切變形實(shí)現(xiàn)微量水平位移、利用橡膠不均勻壓縮實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)角。結(jié)合大量工程試驗(yàn)，板式橡膠支座滯回曲線為狹長(zhǎng)形，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本呈線彈性，因此，在開展橋梁抗震分析時(shí)，可用線彈簧單元模擬板式橡膠支座，其水平剛度取1.6×104 kN/m。

樁-土作用模擬：樁基礎(chǔ)與土的相互作用會(huì)影響其承載力。為了準(zhǔn)確模擬這一影響，可將樁基礎(chǔ)每間隔0.5 m劃分為1個(gè)單元，并在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)彈簧。

（2）地震波輸入。地震波是保證橋梁抗震響應(yīng)準(zhǔn)確計(jì)算的前提，但地震波無法預(yù)測(cè)，其分布不僅在時(shí)間和空間上具有隨機(jī)性，波形和頻率也有很大的隨機(jī)性。

目前，獲取地震波常用以下三種方式：一是根據(jù)橋梁建設(shè)場(chǎng)地的土層反應(yīng)確定地震加速度時(shí)程，其準(zhǔn)確性最好，但耗費(fèi)的人力物力資源多，花費(fèi)多；二是查閱擬建橋梁的場(chǎng)地條件及抗震設(shè)防烈度，并在已有強(qiáng)震記錄中選擇條件相似的地震波輸入；三是利用規(guī)范反應(yīng)譜人工合成地震波，合成方法可選用三角級(jí)數(shù)法。

該文選用第三種方法獲取地震波，反應(yīng)譜擬合參數(shù)見表2所示：

3.3 橋梁地震響應(yīng)結(jié)果分析

以公路橋梁的2#墩為例，利用SAP2000軟件計(jì)算出墩頂和墩底在E1、E2地震作用下的位移響應(yīng)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示：

由圖3可知，在E1地震作用下，橋梁墩頂和墩底位移分別為150 mm、65 mm；在E2地震作用下，橋梁墩頂和墩底位移分別為185 mm、90 mm。由此可知，橋墩在E1地震作用下的位移響應(yīng)小于E2地震作用，滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

4 橋梁減隔震技術(shù)應(yīng)用分析

（1）減隔震體系要求。減隔震技術(shù)屬于被動(dòng)控制技術(shù)，是利用各種減隔震支座延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期，使其避開地震能量集中區(qū)域，以降低地震力對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷。為了實(shí)現(xiàn)減隔震目的，減隔震體系應(yīng)具有良好的柔性、耗能能力，且保證其在正常使用荷載下不會(huì)發(fā)生屈服。

（2）常用減隔震措施。公路橋梁中常用的減隔震措施有鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座等。

鉛芯橡膠支座是在普通板式橡膠支座鉆孔，并填充金屬鉛芯而成。鉛有良好的塑性變形能力和能量吸收能力。一旦受到地震作用，鉛芯橡膠支座中的鉛芯會(huì)產(chǎn)生屈服，起到“隔震”作用。同時(shí)，鉛芯的滯回耗能作用好（可用雙線性滯回模型表示），能消耗大部分地震能量，起到“減震”作用。鉛芯橡膠支座的非線性力學(xué)特性一般可以用雙線性滯回模型表示。

高阻尼橡膠支座是利用復(fù)合橡膠材料支座，其阻尼高、耗能能力強(qiáng)，能減小作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的地震能量。同時(shí)，高阻尼橡膠支座在結(jié)構(gòu)變形較小時(shí)適用性好。隨著結(jié)構(gòu)變形增大，支座剛度會(huì)軟化。當(dāng)剪應(yīng)變大于200%時(shí)，支座剛度則會(huì)硬化，減隔震效果變差。

（3）應(yīng)用效果分析。將上述兩種支座分別設(shè)置在橋梁結(jié)構(gòu)的抗震分析模型中，計(jì)算出橋梁在E1、E2地震作用下的最大剪切應(yīng)變，如圖4所示：

由圖4可知，設(shè)置減隔震措施后，橋梁結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)變有明顯降低；在相同地震作用下，鉛芯橡膠支座對(duì)應(yīng)的剪切應(yīng)變小于高阻尼橡膠支座，說明鉛芯橡膠支座的減隔震效果更好。

5 結(jié)束語

該文主要研究橋梁抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、地震響應(yīng)及減隔震技術(shù)的應(yīng)用效果，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）公路橋梁可劃分為A～D類，除D類橋梁外，其他橋梁均采用兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防。

（2）為了提高橋梁抗震性能，其結(jié)構(gòu)體系應(yīng)合理布局，明確塑性鉸位置，使各個(gè)構(gòu)件之間存在強(qiáng)度差異，并對(duì)墩柱合理配筋。

（3）橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析可用梁?jiǎn)卧M，并利用規(guī)范反應(yīng)譜人工合成地震波。

（4）橋梁結(jié)構(gòu)在E2地震作用下的位移響應(yīng)明顯大于E1地震作用，且在設(shè)置減隔震措施后，橋梁的剪切應(yīng)變有明顯降低。

參考文獻(xiàn)

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