7度地震區雙柱墩連續梁橋的抗震設計研究

賈奮宗

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

7度地震區雙柱墩連續梁橋的抗震設計研究

賈奮宗

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海市 200070）

隨著經濟社會的快速發展，抗震設計得到了橋梁設計工作者的高度重視。依據最新《城市橋梁抗震規范》，以東康快速路—包茂高速全互通立交主線高架橋梁引橋為背景，采用Midas軟件對雙柱墩連續梁橋進行抗震分析，有關經驗可供相關專業人員參考。

雙柱墩；抗震設計；城市橋梁

0　引言

隨著經濟社會快速發展，交通量大量增加，橋梁橫向尺寸隨之增大，雙柱墩的運用日益廣泛。而雙柱墩的抗震性能較單柱墩更復雜，袁萬城等［1］通過對單柱墩和雙柱墩在線性范圍內進行動力時程分析來探討兩種結構的抗震性能。從橋墩抗震延性概念設計的角度，地震作用下，雙柱墩橋梁的耗能部位：順橋向位于墩底，橫橋向位于橫向連接處、墩頂和墩底。由于雙柱墩橫向受力分析的需要，需專門建立橫向計算模型。

1　工程概況

包茂高速立交橋梁位于內蒙古鄂爾多斯市，包茂高速立交橋梁包括上跨包茂高速的東康快速主線高架、SE匝道橋、SW匝道橋、NE匝道橋、WS匝道橋和EN匝道橋，本文結合主線高架橋梁引橋進行抗震分析，其結構形式均采用連續梁，高度2 m。上部預應力混凝土箱梁采用C50混凝土，見圖1。下部橋墩、承臺及樁基礎均采用C35混凝土，見圖2。

圖1　上部結構典型橫斷面（單位：cm）

圖2　典型橋墩橫斷面（單位：cm）

由于本工程橋跨較多，且結構形式相似，故抗震計算僅選取有代表性的XPU04～XPU07聯進行計算，其中XPU04為30 m+33 m+33 m+30 m標準段（橋梁寬度為20.2 m）箱梁，XPU05為3×35 m（橋梁寬度為23.7～29.4 m）箱梁，XPU06為4×35 m（橋梁寬度為23.7 m）箱梁，XPU07為3×35 m（橋梁寬度為23.7 m）箱梁，墩高從16.705～8.498 m變化。由《城市橋梁抗震規范》6.1.2知本橋屬規則橋梁。

2　抗震設防標準、抗震設計方法和地震動輸入

2.1抗震設防標準

抗震設防烈度：按地震烈度7度設防，水平向設計基本地震動加速度峰值0.1 g；根據《城市橋梁抗震設計規范》CJJ 166-2011，本工程橋梁抗震設防分類為乙類，在E1地震作用下，地震調整系數Ci=0.61；在E2地震作用下，地震調整系數Ci=2.2。

根據規范，本工程橋梁的抗震設防標準為：

（1）在E1地震作用下，結構總體反應在彈性范圍，基本無損傷，震后可立即使用。

（2）在E2地震作用下，結構可發生有限損傷，經搶修可恢復使用，永久性修復后恢復正常運營。

2.2抗震設計方法和橋梁抗震體系

根據規范，本工程橋梁抗震設計方法為A類：應進行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震驗算，并滿足橋梁抗震體系以及相關構造和抗震措施的要求。

本工程橋梁抗震體系采用類型Ⅰ：地震作用下，橋梁的塑性變形、耗能部位位于橋墩——順橋向位于墩底，橫橋向位于系梁、墩頂和墩底；基礎、支座和墩柱的抗剪按照能力保護原則來設計。

2.3地震動輸入-設計反應譜

根據巖土工程勘察基礎資料，本工程場地分區特征周期0.45 s，地震動加速度為0.1 g。結構阻尼比取0.05。根據規范，本工程橋梁水平向反應譜見圖3。

圖3　水平向反應譜

3　動力分析模型與動力特性分析

考慮土-下部結構-上部結構的共同協同工作抵抗縱、橫橋向地震作用。利用“m”法計算基礎剛度，考慮基礎對橋梁地震效應的影響；采用抗震型盆式橡膠支座，根據規范及廠家提供的產品參數確定支座剛度；考慮相鄰聯橋梁重量的影響。

3.1計算模型

橋梁動力計算模型見圖4。

圖4　動力計算模型

考慮到本橋橋墩為雙柱式橋墩，由框架墩橫向受力分析的需要，特建立橫向計算模型見圖5。

3.2動力特性

分析和認識橋梁的動力特性是進行抗震性能分析的基礎。表1給出了橋梁前8階自由振動的周期。

圖5　框架墩橫向計算模型

表1　前8階振型

4　橋梁地震反應譜分析

采用E1和E2兩種概率水平、阻尼比為5%的設計反應譜對該橋進行抗震性能分析。E1水準下采用毛截面剛度；E2水準下延性構件采用折減剛度，其他構件采用毛截面剛度。

4.1墩底截面承載能力驗算

按照壓彎構件計算邊墩和中墩底截面的承載能力，見表2。

表2　墩底截面承載能力驗算

從表2可見，E1地震作用下，橋墩處于彈性范圍內。E2地震作用下，制動墩縱向以及各墩橫向已進入塑性。

4.2斜截面抗剪強度驗算

將永久作用和地震作用進行最不利組合，根據現行規范進行M-分析，計算橋梁各個控制截面的抗彎能力，從而得到墩柱的剪力設計值。

延性雙柱墩柱沿順橋向剪力設計值按式（1）計算：

延性雙柱墩柱沿橫橋向剪力設計值按式（2）計算：

墩柱抗剪按照能力保護構件設計，按照《城市橋梁抗震設計規范》7.4，運用MathCAD自編程序驗算，各墩柱斜截面抗剪強度均滿足要求，見表3。

表3　塑性鉸區域（含潛在）斜截面抗剪強度驗算　kN

4.3墩柱變形驗算

圖6、圖7分別為E2地震下縱向最大平動位移圖和橫向最大平動位移圖。

圖6　縱向最大平動位移（單位：m）

圖7　橫向最大平動位移（單位：m）

E2地震下，縱向容許位移根據規范《城市橋梁抗震設計規范》CJJ 166-2011式7.3.4得

X向位移容許值為：

橫向容許位移根據規范《城市橋梁抗震設計規范》CJJ 166-2011 7.3.7，在墩柱處頂部施加水平力F，進行非線性靜力分析，當墩柱的任一塑性鉸達到其最大容許轉角或塑性鉸區控制截面達到其最大容許曲率時，柱頂處的橫向水平位移即為容許位移。由MIDAS/Civil V7.8.0版有限元計算分析程序建立橫向受力模型，運用pushover工具，主要步驟為：

（1）通過迭代計算得到墩底（頂）處于塑性屈服狀態時的軸力，由M-分析求出極限破壞狀態的曲率，除以安全系數2得到最大容許曲率；

（2）通過pushover工具得到塑性鉸達到最大容許曲率時的步數，再由該步數得到對應屈服狀態墩頂的橫向位移。

分析得：橫向容許位移△u=6.2 cm＞4.4 cm。

主墩變形驗算結論見表4。

表4　塑性鉸區域（含潛在）容許變形驗算m

4.4支座水平力及水平位移驗算

主墩、邊墩支座均選擇抗震型盆式支座，其水平承載力不小于豎向承載力的26%。對于縱橫向，計算各墩最不利剪力設計值，如對于P23墩（固定墩）根據計算結果最終選用的支座規格為17.5 MN，20 cm檔，見表5。

表5　盆式支座水平力及水平位移驗算　kN·m

根據規范，在進行支座抗震驗算時，應計入50%均勻溫度作用效應。本橋設計均勻升降溫均為30℃，50%均勻溫差引起的主墩支座反力和變形都很小，與地震作用疊加后，所選支座抗剪承載力滿足要求，容許位移均滿足要求。

同時該橋應在每個墩頂設置抗震擋塊，防止落梁。

5　墩柱構造措施

根據《城市橋梁抗震設計規范》第8章的規定，本工程橋梁延性構造措施如下：

（1）墩柱上彎矩超過最大彎矩80%范圍內，箍筋采用加密布置，間距為100 mm；

（2）墩身箍筋采用直徑等于16 mm的HRB400級鋼筋；

（3）墩身縱向鋼筋對稱布置，縱向鋼筋的面積均大于0.006Ah，且不超過0.04Ah，其中Ah為墩柱截面面積；

（4）螺旋式箍筋的接頭采用對接，矩形箍筋應有135°彎勾，并伸入核心混凝土之內6ds以上；

（5）墩柱縱向鋼筋伸至承臺的另一側面，縱向鋼筋的錨固和搭接長度應在現行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG D62）要求的基礎上增加10ds，ds為縱向鋼筋直徑，不應在塑性鉸區域進行縱向鋼筋的連接；

（6）塑性鉸加密區域配置的箍筋深入到承臺1.0 m。

6　結語

大量震害資料表明，下部結構及基礎的破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的主要原因。橋梁墩臺和基礎的震害主要是由于受到較大的水平地震力，瞬時反振動在相對薄弱的截面產生破壞而引起的。一般比較高柔的橋墩，多為彎曲型破壞；而矮粗的橋墩，多為剪切破壞。由于彎曲破壞屬延性破壞，剪切破壞屬脆性破壞，抗震延性設計強調“強剪弱彎”，應避免脆性破壞。

最新版《城市橋梁抗震設計規范》關于計算分析方面的內容介紹較少，設計人員需準確理解新規范的概念規定，并將其運用到實際的橋梁設計中，指導橋梁設計。特對本次抗震設計總結如下：

（1）可通過合理的構造設計提高墩柱潛在塑性鉸區的延性性能，如：合理設置約束箍筋的數量、間距及直徑，及箍筋的端部應做135°彎鉤并伸入核心混凝土中。

（2）抗震設計中，可通過提高墩柱的橫向鋼筋配置提高構件的抗剪能力，使彎曲破壞先于剪切破壞。

（3）對于雙柱墩，可通過合理的節點配筋避免墩柱節點的剪切破壞。

［1］袁萬城，胡勃，范立礎.柱式橋墩橫向抗震性能評價［J］.同濟大學學報：自然科學版，1996，21（6）:601.

［2］CJJ 166-2011，城市橋梁抗震設計規范［S］.

［3］JTG/T B02-01-2008，公路橋梁抗震設計細則［S］.

［4］范立礎.橋梁抗震［M］.上海:同濟大學出版社，1997.

［5］葉愛君，管仲國.橋梁抗震［M］.北京:人民交通出版社，2011.

U442.5+5

B

1009-7716（2016）06-0132-04

2016-02-23

賈奮宗（1983-），女，內蒙古五原人，工程師，從事橋梁設計工作。