高烈度區裝配式規則橋梁抗震計算方法的分析

儲昭漢

(上海市政工程設計研究總院(集團)第六設計院有限公司 合肥市 230000)

我國6度及以上地震烈度區占總國土面積的79%，8度及以上的高地震烈度區則占8%，這類區域往往會對橋梁抗震設計提出較高挑戰，而為了保證裝配式規則橋梁在高地震烈度區的抗震設計質量，正是圍繞高烈度區裝配式規則橋梁抗震計算方法開展具體研究的原因所在。

1 問題分析

1.1 問題探討

由于平原、丘陵等地區的公路橋梁墩身一般不高，因此設計人員多采用規則橋梁布置，相較于非規則橋梁，二者在地震動響應層面存在顯著差異，因此橋梁的抗震設計必須得關注橋梁規則性，同時還需要采取針對性較強的方法。不同于非規則橋梁多振型影響，規則橋梁可以采用單振型模型分析其基本振型控制結構的動力響應，事實上我國橋梁抗震設計規范涉及的相關橋梁抗震計算方法便多針對規則橋梁。深入分析不難發現，合理的抗震分析方法可較好保證抗震計算精度，而為了較好保障高烈度區裝配式規則橋梁抗震效率、精度，正是研究必須解決的問題[1]。

1.2 工程概況

為提升研究的實踐價值，選擇了某高烈度區一級公路上的S橋梁作為研究對象，該橋梁的抗震設防烈度為8度，橋位沒有跨線通航要求，場地條件為Ⅰ類，基本峰值加速度、區劃圖上的特征周期分別為0.3g與0.4s。為保證S橋梁的質量和剛度平衡，該橋梁采用了等橋面寬度、等墩高、等跨徑的結構形式，為提高行車平穩舒適程度，在深入分析地質條件后，設計人員選擇了先簡支后結構連續預應力混凝土T梁。考慮溫度可能對S橋造成的影響，且溫度影響控制聯長在160m內，因此全聯在橋臺處設置了80型伸縮縫2道，S橋上部結構則采用了5跨25mT梁，其橋面寬度為12m。

S橋的橋墩高度需盡可能相近，這是為了適應連續的上部結構，因此選擇了1.4m×1.4m雙柱矩形墩，橋墩的高度為10m。蓋梁、墩柱采用了C40混凝土，主梁采用了C50混凝土，采用了HRB335鋼筋作為墩柱受力鋼筋。為實現均勻的地震力分配，采用了可以吸收地震能量的板式橡膠支座，型號為GJZ450×500×114(CR)，數量為5個且需要全聯各墩臺上，同時需根據各墩串聯體系的水平剛度實現按比例進行的水平地震力分配。為避免S橋出現橫橋落梁問題，需設置防震擋塊于T梁兩側，并加設防震橡膠塊于防震擋塊梁板側，蓋梁兩端擋塊的高度、寬度分別為60cm與40cm，圖1為S橋的橋型布置圖[2]。

2 抗震計算

2.1 計算方法

S橋屬于典型的高烈度區裝配式橋梁，因此抗震計算需首先明確其規則性，結合《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)，可確定S橋抗震設防類別為B類，屬于單跨跨徑在150m內的一級公路上橋梁。對于E1地震作用下的S橋抗震設計，需保證S橋承載力滿足要求，地震動輸入方向帶來的明顯方向性橋梁破壞也需要同時得到重視，考慮到S橋屬于采用順橋向控制設計的直線橋梁，因此本研究的抗震計算僅圍繞順橋向抗震計算展開[3]。結合表1，可確定S橋屬于典型的規則橋梁，因此抗震分析的開展可采用單振型反應譜方法。

表1 橋梁規則性判斷

在應用單振型反應譜方法的S橋抗震分析中，為求出結構的基本周期及振型，首先需確定結構的計算簡圖并運用動力學分析方法，最終方可求得地震力。S橋的上、下部結構采用板式橡膠支座連接，上部結構會對橋墩振動施加約束，而結合橋梁震害調查不難發現，S橋的梁存在較大的縱、橫向位移，其支座也出現了一定程度的破壞，這可以證明上部結構對橋墩振動的約束效果較為有限，而結合同類研究經驗，本文研究開展的規則橋梁抗震計算僅圍繞單墩模型展開[4]。

2.2 計算參數

作為典型的裝配式規則橋梁，S橋的下部結構自重遠小于上部結構自重，因此橋梁單振型計算模型的建立需構建典型的“倒擺體系”，即在支座頂部集中布置上部質量。在墩頂作用一個水平集中力，其靜力撓曲線便可以通過結構力學方法求得，具體公式如下：

Xz=z2(3H-z)/6EI

(1)

式中的H、z分別為墩高、計算點到墩底的距離，結合式(1)即可依次開展質量參數、剛度參數的計算。考慮到S橋的地基剛度較大且地基變形較小，因此本文研究忽略地基變形，結合式(1)即可確定墩身重力換算系數為0.24，一聯上部結構、下部結構的總重力則分別為25340kN與3974.4kN。

式(2)為第i號墩臺處支座的抗推剛度計算公式、式(3)為第i號墩的抗推剛度計算公式，式(2)、式(3)的計算結果分別為11842N/m、6.24×104kN/m。

(2)

(3)

結合式(2)、式(3)，可求得相應于一聯上部結構所對應的全部板式橡膠支座抗推剛度之和、橋墩抗推剛度之和，分別為7.1×104kN/m、2.5×105kN/m。

設計的靈魂是創新而不是重復。因此，在設計過程中，一方面要繼承優秀的設計風格和流派，另一方面，要有創新精神，以顯示酒店設計的個性與設計的獨特性，而不是機械地搜集和拼湊已有的模式，這樣，繼承才能是創新的。

2.3 地震作用

結合式(4)所示的《公路橋梁抗震設計細則》提供的水平設計加速度反應譜，可通過計算得出E1設計加速度反應譜最大值為2.25CiCsCdA，即0.30375g，結合這一計算結果即可開展E1設計加速度反應譜函數的建立。

(4)

2.4 基本周期及反應譜值

結合E1設計加速度反應譜函數，可進行結構基本周期、反應譜值的計算，按照2個質點體系模型進行橋墩基本周期計算，可確定結構基本圓頻率、結構基本周期分別為21.23s、1.36s；由于結構基本周期小于Tg，可確定基本周期對應的反應譜值為0.067g。

2.5 橋墩內力

結合上述計算，可得出如下計算結果：

(1)第i號墩的組合抗推剛度=9953.14kN/m。

(2)第i號墩墩頂板式橡膠支座頂面處受到的上部結構帶來的水平地震力= 266.13kN。

(4)第i號墩墩頂板式橡膠支座頂面處總水平地震力=332.7kN。

結合上述計算結果，即可求得S橋在E1地震作用下的橋墩內力，其中剪力V、彎矩M分別為166.4kN與1979.6kN·m[5]。

2.6 計算方法優選

為明確單振型反應譜方法的應用效果，選擇了多振型反應譜法開展同類計算開展計算方法優選，優選過程的多振型反應譜法計算采用了Midas/Civil軟件，采用墩底固結作為邊界條件，同樣忽略地基變形，因此可得出橋墩內力的剪力V、彎矩M分別為173.14kN與2138.99kN，表2為計算方法優選比較結果。

表2 計算方法優選比較結果

結合表2開展分析不難發現，兩種計算方法存在一定差異，這種差異主要源于動力學方程不同，而由于二者計算結果相差不大，考慮到單振型反應譜方法的應用較為簡單，因此認為該方法具備更好的有效性和實用性。

2.7 橋墩配筋

在E1地震作用下，S橋梁主體處于彈性工作狀態，這使得基本不會出現損傷，而作為典型的橋梁強度薄弱部位，橋墩潛在塑性鉸區的抗彎強度驗算需得到重點關注。S橋原設計采用了80根Φ25的HRB335鋼筋用于縱向受力，配筋率為2.0%，采用了間距100mm、8肢12的HRB335鋼筋作為箍筋，但數量較多的鋼筋和箍筋可能導致施工困難，因此設計人員可結合上述抗震設計采用高強度鋼筋作為受力縱筋，如HRB400、HRB500，由此即可更好保證S橋梁的抗震性能并方便施工順利進行。

3 結論

綜上所述，高烈度區裝配式規則橋梁抗震計算方法具備較高實用性，在此基礎上，本文涉及的計算方法、計算參數、地震作用、基本周期及反應譜值、橋墩內力、計算方法優選等內容，則提供了可行性較高的橋梁抗震計算方法，而為了進一步提高計算準確性，簡化單振型反應譜法的合理應用必須得到重視。