高震區(qū)雙柱墩設(shè)計

趙雄輝，王漢偉

（中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津市 300074）

1 概述

拉薩市環(huán)城路（北段）位于拉薩市中心城區(qū)北部，西起北京西路拉魯濕地西端，沿拉魯濕地北側(cè)向東，穿越自然山體、行政學(xué)院等，再沿流沙河、啟勞路（原齊拉路）至拉薩監(jiān)獄地塊，最后轉(zhuǎn)向東南，穿越自然山體與納金大橋相接，路線總長約16.61 km，其中包涵8座橋梁。本文以拉薩市北環(huán)線東繞城路2號隧道南出口高架橋作為實(shí)例（見圖1），橋梁主要上部結(jié)構(gòu)為簡支變連續(xù)小箱梁，全橋共計9跨，跨徑布置為3×（3×30 m）。橋梁下部結(jié)構(gòu)為1.5 m圓形墩柱接蓋梁形式，基礎(chǔ)采用1.2 m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)接承臺。橋梁分雙幅設(shè)置，單幅橋梁寬度為11.75 m。

圖1 東繞城路2號隧道南出口高架橋

2 抗震設(shè)防原則及構(gòu)思

2.1 三級抗震設(shè)防原則

（1）當(dāng)遭遇低于該地區(qū)抗震設(shè)防烈度的多遇地震（50年超越概率63%）影響時，結(jié)構(gòu)一般不受損壞或不需要修理仍可繼續(xù)使用，此為地震水平Ⅰ。

（2）當(dāng)遭遇相當(dāng)于該地區(qū)抗震設(shè)防烈度（50年超越概率10%）影響時，結(jié)構(gòu)有損壞，但經(jīng)及時修理仍可繼續(xù)使用，此為地震水平Ⅱ。

（3）當(dāng)遭遇高于該地區(qū)抗震設(shè)防烈度的預(yù)估罕遇地震（50年超越概率2%）影響時，結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，但不致倒塌，經(jīng)加固后可恢復(fù)交通，此為地震水平Ⅲ。

2.2 能力設(shè)計原則

（1）選擇地震中預(yù)期出現(xiàn)的彎矩塑性鉸的合理位置。

（2）選擇地震中合理出現(xiàn)彎曲塑性鉸位置，確保潛在塑性鉸區(qū)域截面延性能力。

（3）確保預(yù)期出現(xiàn)彎曲塑性鉸的構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞。

3 橋梁的震害及特征

落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜、倒塌，支座破壞，梁體碰撞，相鄰墩間發(fā)生過大相對位移等引起的。支座設(shè)計沒有充分考慮抗震要求，構(gòu)造上連接與支擋等構(gòu)造措施不足，導(dǎo)致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構(gòu)造上的破壞等，并由此導(dǎo)致結(jié)構(gòu)力傳遞形式的變化，進(jìn)而對結(jié)構(gòu)的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

橋梁下部結(jié)構(gòu)地震破壞有剪切破壞和彎曲破壞，橋墩震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位，墩身開裂、剪斷，受壓緣混凝土崩潰，鋼筋裸露屈曲，橋墩與基礎(chǔ)連接處開裂、折斷等。地基與基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是導(dǎo)致橋梁倒塌，并在震后難以修復(fù)使用的重要原因。地震造成的地表破壞主要有地表斷裂、滑坡、沙土液化、軟土震陷等。地表破壞主要是由于地質(zhì)條件在地震作用下導(dǎo)致橋梁破壞，地基破壞主要是指因砂土液化、不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因素導(dǎo)致的地層水平滑移、下沉、斷裂，橋梁結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

4 工程實(shí)例計算

4.1 計算參數(shù)

抗震基本烈度為8度，設(shè)計地震動峰值加速度系數(shù)為0.20g。重要性系數(shù)Ci：E1為0.46，E2為2.0。橋梁抗震設(shè)防分類為丙類。

4.2 等效模型的簡化分析

為了計算在地震作用下的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，可以通過MIDAS/Civil有限元程序?qū)蛄旱慕Y(jié)構(gòu)建立空間線性模型（見圖2）。 模型中主梁與墩柱是通過支座單元來模擬，主梁與支座連接采用彈性連接中剛性模擬。對下部橋墩，由于采用的是直徑為1.5 m圓柱接蓋梁形式，基礎(chǔ)采用樁接承臺形式，在樁身單元上施加離散的側(cè)向土彈簧進(jìn)行模擬土層作用，彈簧的剛度可采用“m”法進(jìn)行計算。在MIDAS/Civil中橋墩在混凝土開裂前采用毛截面剛度，開裂后墩柱截面剛度是通過剛度折減系數(shù)來表示有效抗彎剛度。

圖2 東繞城路2號隧道南出口高架橋模型圖

4.3 反應(yīng)譜函數(shù)

反應(yīng)譜分析實(shí)際上是一種擬動力分析方法。將結(jié)構(gòu)在動力荷載下的復(fù)雜響應(yīng)情況分解為各階振型獨(dú)立的分項(xiàng)響應(yīng)情況。地震效應(yīng)通過設(shè)計規(guī)范提供的綜合考慮各項(xiàng)因素制定的設(shè)計反應(yīng)譜體現(xiàn)。

該次橋梁設(shè)計采用反應(yīng)譜函數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3 E1反應(yīng)譜函數(shù)

圖4 E2反應(yīng)譜函數(shù)

雙柱墩需用Pushover計算橫向容許位移，可在蓋梁處施加水平力，進(jìn)行非線性靜力分析，當(dāng)墩柱的任一塑性鉸達(dá)到其最大容許轉(zhuǎn)角或塑性鉸區(qū)控制截面達(dá)到最大容許曲率時，計算得到蓋梁處的橫向水平位移。

雙柱順橋向的容許位移可按下式計算：

式中：Δu為橋墩容許位移；H為懸臂的高度或塑性鉸截面到反彎點(diǎn)的距離；y+為截面的等效屈服曲率，1/cm；Lp為等效塑性鉸長度；θu為塑性鉸區(qū)域最大允許轉(zhuǎn)角。

通過迭代計算得到墩底（頂）處于塑性屈服狀態(tài)（考慮安全系數(shù)2）時的軸力和得到屈服狀態(tài)墩頂?shù)臋M向位移。

4.4 強(qiáng)度驗(yàn)算

該橋墩柱較多，這里只提取1#、3#、4#墩柱計算結(jié)果進(jìn)行比較，其中3#墩為連接墩。墩柱參數(shù)見表1。

表1 墩柱參數(shù)

由表2結(jié)果可知，橋梁墩柱在E1反應(yīng)譜函數(shù)作用1#、3#、4#墩柱都保持在彈性范圍內(nèi)。在E2地震作用均出現(xiàn)塑性鉸，E2地震作用下強(qiáng)度不滿足要求，墩柱處于塑性狀態(tài)。

表2 墩柱強(qiáng)度 MPa

4.5 位移驗(yàn)算

由于橋墩在E2反應(yīng)譜函數(shù)作用1#、3#、4#墩柱都出現(xiàn)塑性鉸，要進(jìn)行延性設(shè)計。通過Pushover的分析方法，修改墩柱剛度，進(jìn)行墩柱位移驗(yàn)算和塑性鉸區(qū)域的抗剪驗(yàn)算。

由表2可知，1#、3#、4#墩柱在E2地震作用均出現(xiàn)塑性鉸。表3是E2地震作用下墩頂位移計算滿足容許位移要求。表4是墩柱塑性鉸區(qū)域的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

橋墩的剪力與彎矩要滿足式（2）的要求，防止橋墩縱向鋼筋配得過大出現(xiàn)剪切破壞。通過對圓柱墩配筋發(fā)現(xiàn)，高震區(qū)箍筋配置時都是不能滿足式（2）要求。

式中：Mxhc、Mshc為等效彎矩，kN·m；Hn為墩柱高度，m。

該次橋墩箍筋配置方式如圖5所示。該次箍筋采用：②直徑為12 mm HRB400鋼筋；③直徑為20 mm HRB400鋼筋，間距為10 cm。通過這種配置能夠滿足式（2）的要求。

表4 塑性鉸區(qū)域的抗剪驗(yàn)算

圖5 墩柱截面箍筋配置圖

5 結(jié)語

本文介紹了地震作用下雙柱墩反應(yīng)譜計算方法，總結(jié)了計算過程。同時借助東繞城路2號隧道南出口高架橋工程實(shí)例的應(yīng)用，通過計算中采用方法以及剪力與彎矩的相互關(guān)系，防止橋墩出現(xiàn)剪切破壞，對以后的類似工程提供了借鑒。以確保橋梁工程在地震過程中有足夠的抗震能力和合理的安全度，減輕地震災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)和社會損失。