基于有限元的橫向巖質陡坡梁橋地震受力分析及對策

■鄭 錚

（福建省交通規劃設計院，福州 350004）

0 引言

在海西高速公路的建設發展過程中，建于橫向巖質陡坡的高架梁橋因能滿足公路線形、環保以及人文的要求得到了大量運用。但該類地形的橋梁結構受力情況是復雜的，尤其在遭受地震作用時，更易發生嚴重的破壞。

國內外學者的研究大多限于平地地形的動力響應以及規則橋梁的地震特點范圍，對于巖質陡坡梁橋的整體抗震性能研究，尤其對于該種不利地形下橫向墩高存在差異的橋梁抗震研究尚不多見。范立礎等[1]進行了多跨連續梁橋的順橋向動力特性研究；卓衛東等[2]針對等墩高連續梁橋指出了傳統抗震設計中的不足，并與減隔震梁橋進行了比較分析。我國的抗震設計規范對于該類不利地形的結構抗震設計進行了考慮，其地震影響增大系數可達1.6[3～5]，因此對于該類橋梁進行整體的抗震性能研究是亟待開展的課題之一。

1 工程背景

實橋案例為福建省沿海地區某高速公路橋梁，上部結構采用4×35m 部頒預應力混凝土連續T 梁，梁高2.3m，橋寬16.75m。梁體采用C50 混凝土，橋墩與樁基采用C30 混凝土，下部結構采用雙柱墩配樁基礎，墩與樁直徑均為1.6m。U 臺位置采用四氟滑板支座，其余各墩采用板式橡膠支座。受到橫向陡坡地形影響，橫橋向高墩和矮墩的墩高分別為10m 與4.5m，各縱橋向高矮墩墩高相近。據剪切波速測量結果，場地覆蓋層等效剪切波速333m/s，按《公路橋梁工程抗震設計細則》，場區為中硬場地土。場地覆蓋層厚度1.7m，為Ⅱ類建筑場地。橋址區場地穩定性較好，持力層多為中風化基巖，其各項物理力學指標較高。

圖1 橋梁立面圖與橫斷面圖

2 動力模型和地震波輸入

采用MIDAS Civil2012 建立全橋有限元模型(圖2)，采用空間梁單元模擬主梁與橋墩，為考慮橋墩的非線性受力，墩柱截面類型采用纖維截面模擬，結構阻尼比為0.05。采用一般連接形式模擬支座約束，鉤單元模擬橫向擋塊，因聯端剛性橋臺剛度較大、變形較小，僅考慮橋臺支座的影響；根據地質情況，巖質陡坡地基剛性較大，在墩底位置采用固結的做法會略增大結構內力的反應，縮小結構的實際周期，因此應將橋墩延長約3 倍樁徑固結，以貼近實際結構的情況[6]。選取具有Ⅱ類場地特征的El Centro 基巖波（1940，南北向），分別于順橋向與橫橋向輸入，取時程計算結果予以分析，在保證地震記錄原有頻譜特性的前提下，參照7 度抗震設防烈度對其峰值進行修正，設計基本地震加速度為0.15g。

圖2 全橋有限元分析模型

柱截面纖維劃分如圖3 所示，截面徑向等分為14份，周向等分為64 份。約束混凝土采用Mander 模型，鋼筋采用雙折線模型，以便于準確的模擬橋墩非線性行為。圖4 為橫向等墩高7.5m 情況下2#墩墩底截面的彎矩曲率曲線，由圖4 中數據可得其對應的初始屈服點A 彎矩為4807.5kN·m，承載能力極值B 為6230.43 kN·m。當結構內力超過極限彎矩時，將發生嚴重破壞，導致結構產生變形甚至失效。

圖3 墩柱纖維截面劃分

圖4 2#墩墩底截面彎矩曲率曲線

3 結構地震動內力分析

本橋在橫橋向與縱橋向的結構基本周期分別為1.40s 與1.64s。分別沿橫橋向與縱橋向導入地震波，進行時程分析計算，經計算縱橋向3 個橋墩中，2#橋墩的墩底內力最大。因此主要針對此橋墩底部單元，比較橫橋向高墩、矮墩地震內力響應。

3.1 橫橋向地震動分析

圖5 橫橋向地震動作用下2#墩橫向高墩與矮墩墩底截面內力圖

圖5 給出了橫橋向地震動作用下2#陡坡橋墩底彎矩與剪力的時程曲線，從數值結果可以得出，在橫橋向地震動作用下，矮墩的墩底彎矩極值為3387kN·m，墩底剪力極值為615.40kN；高墩的墩底彎矩極值為1571kN·m，較矮墩小了53.62%，墩底剪力極值為191.3kN，較矮墩小了68.9%。由此可得，在橫橋向地震動作用下，陡坡梁橋下部結構中的矮墩因自身剛度比例的特點，會承受更多的地震內力，相對于高墩的自身受力而言，該增大作用是十分顯著的。

3.2 縱橋向地震動分析

圖6 為縱橋向地震動作用下陡坡梁橋墩底彎矩與剪力的時程曲線圖，從數值結果可以得出，矮墩的墩底彎矩極值為6590kN·m，墩底剪力極值為576.4kN；高墩的墩底彎矩極值為3908kN·m，較矮墩小了40.7%，墩底剪力極值為205.3kN，較矮墩小了65.4%。由此可得，在縱橋向地震動作用下，橫向陡坡梁橋下矮墩會產生更劇烈的地震內力響應，且其極限彎矩超過了彎矩曲率曲線得到的截面屈服彎矩，屆時橋墩將產生明顯的塑性破壞，甚至引起垮塌。

圖6 縱橋向地震動作用下2#墩橫向高墩與矮墩墩底截面內力圖

3.3 墩頂位移漂移率比較

墩頂位移漂移率為墩頂位移與橋墩墩高的比值，是墩柱構件對應于不同性能水準的變形能力，并且與長細比、軸壓比、縱筋率、配箍率等墩柱構件設計參數有關的變量。圖7 給出了2#墩中高矮墩縱橋向和橫橋向的墩頂位移漂移率，由其中數據可得，對于該連續梁橋，縱橋向輸入地震動會產生更高的墩頂漂移率，因此縱橋向的結構響應是抗震設計的重點；對于橫向陡坡梁橋，縱橋向輸入地震動時，高墩與矮墩的漂移率都高于同類常規平地地形梁橋的橋墩漂移率，該不利地形會引起結構在地震作用時產生更為嚴重的損傷；兩種地震波輸入情況下，陡坡梁橋中的矮墩漂移率最高，最大值可達0.46%，其抗震延性設計應當予以單獨的重視。

圖7 縱橋向與橫橋向墩頂漂移率

4 設計對策

針對陡坡梁橋矮墩在地震作用下的受力特點，本文提出施工措施，在陡坡處不大開挖的情況下，通過在矮墩樁周預留空隙（圖8），改善橋墩剛度差過大的不利影響，降低矮墩剛度，改善橋墩受力。其大致步驟如下：

圖8 施工措施示意圖

(1)施工時通過“雙護筒”法或“護壁+鋼護筒”法在矮墩樁周預留空隙。樁基頂在成孔時，處理長度范圍的成孔直徑比常規大約15～20cm。

(2)樁砼澆注前，把帶有封堵橡膠圈的鋼護筒定位好。

(3)放置鋼筋籠，澆注樁基砼。

(4)樁基施工完成后，預留空隙處填塞泡沫層或者高彈性橡膠墊層。

圖9 縱橋向地震動作用下矮墩樁側處理前后內力圖

通過計算可得，矮墩樁周經過處理后的結構周期為1.77s，相對原結構延長了7.9%；該施工措施可以減少原陡坡梁橋的縱橋向矮墩地震內力作用，其中墩底彎矩為6092kN·m，相對減少7.6%，墩底剪力為530.9kN，相對減少7.9%；當結構產生塑性鉸以后，采取該施工措施處理過的矮墩墩底的內力時程曲線值小于處理前的情況。

5 結論與建議

根據本文的研究與工程實例分析，可以得到以下幾點結論：

（1）對于橫向陡坡梁橋而言，其矮墩在地震作用下會產生更大的內力反應，設計中應予以重視，在抗震設計時應與同類常規平地地形梁橋有所區別，調整相應的配筋率，加強延性設計，提高抗震性能。

（2）地震作用下，橫向陡坡梁橋中矮墩會產生較大的墩底剪力，應加強橋墩塑性鉸區域的抗剪設計。

（3）橫向陡坡梁橋的橫橋向地震動作用能達到縱橋向50%以上，設計時應適當加大擋塊的尺寸及增加結構配筋，防止落梁現象的產生。

（4）矮墩采用預留空隙的施工措施可以減少地震作用下橫向陡坡梁橋中矮墩的內力響應。

[1]周光偉，李建中，范立礎.多跨連續梁橋縱橋向動力特性研究及其地震反應譜簡化分析[J].上海：同濟大學.

[2]卓衛東，孫穎，谷音.長大公路混凝土連續梁橋抗震方案比選[J].土木工程與管理學報，2011，38(3)：313-321.

[3]中華人民共和國國家標準.建筑抗震設計規范(GB 50011-2010)[S].北京:中國建筑工業出版社,2010.

[4]公路橋梁抗震設計細則(JTG/T B02-01-2008).北京：人民交通出版社，2008.

[5]城市橋梁抗震設計規范(CJJ 166-2011）.北京：人民交通出版社，2011.

[6]普瑞斯特雷，塞勃勒，卡爾維.橋梁抗震設計與加固[M].北京:人民交通出版社,1997.