濱海特大高架橋梁抗震優化設計

王文彪

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

0 引言

濱海高架橋梁由于其特殊的地理位置，一般地震烈度較高，橋梁抗震設計存在著一定的特殊性。濱海橋梁服役期長達百年，除地震外還要面對強風、車輛和海洋腐蝕環境等惡劣荷載工況，其運營及耐久性能要求較高，總結及探討濱海橋梁特點的抗震設計方法具有較高研究意義[1-3]。而且濱海橋梁的墩柱較高，樁基較長，其下部結構方案合理性對橋梁地震動反應影響較大，且對橋梁經濟合理性有較大影響[4，5]。本文以工程實例為研究對象，通過建立三維動力模型，分析不同墩柱尺寸和樁基方案對橋梁地震反應的影響，并對橋梁進行延性抗震設計驗算，對比分析出經濟合理的墩柱尺寸和橋梁樁基數量。對比研究對濱海特大高架橋梁抗震優化設計，對此類型橋梁的下部結構方案合理優化設計，具有重要的工程指導意義[6，7]。

1 工程概況

某市濱海大道高架橋，橋梁全長1536m，全橋跨徑布置為7聯3×40m+5聯36m+3×32m+2×30m連續箱梁，橋墩高約5~10m。全橋均采用鉆孔灌注樁基礎，均嵌入巖層中，樁基直徑1.5m，樁長約70~90m。橋梁整體方案見圖1。

橋墩與樁基配筋見圖2。

圖1 橋梁下部結構方案（單位：mm）

2 地震動參數與分析模型

本文建立橋梁抗震設計的三維空間動力計算模型，分析結構動力特性。采用線性反應譜法以進行地震反應分析，研究結構在E1地震作用（50a超越概率10%）和E2地震作用（50a超越概率2%）兩種設防水準地震輸入下的地震響應。

圖2 橋墩與樁基配筋圖（單位：mm）

本場地地震動峰值加速度為0.10g，場地地震分組為第一組，場地類別為Ⅳ類，場地地震動峰值加速度調整系數Fa=1.20，場地特征周期值為0.65s，場地土屬軟弱地基土，屬于建筑抗震不利地段[8-10]。地震動輸入分別采取順橋向與橫橋向兩種方式。主梁和橋墩均采用梁單元模擬，承臺近似按剛體模擬，其質量堆聚在承臺質心；二期恒載以均布質量形式加在主梁單元上。橋梁支座布置見圖3。據此設定三維模型的支承連接條件，見表1。

圖3 支座布置圖

樁基礎是在承臺底加六個方向的彈簧來模擬樁基礎的作用，并由承臺底部內力按靜力方法（m法）反推單樁最不利受力。如4根樁基時，六彈簧剛度見表2。

本文分別以關鍵典型的中間聯3×40m三聯和邊聯3×40m三聯為例，在此基礎上進行地震反應分析和抗震設計，模型見圖4。

3 抗震結構設計

橋墩和樁基礎截面的抗彎能力（強度）采用截面積分的方法進行彎矩－曲率（考慮相應軸力）分析，截面混凝土根據需求劃分，而單根鋼筋單獨作為一個網格，見圖5。

表1 全橋每聯支承連接條件

圖4 三聯空間動力計算模型

圖5 橋墩與樁基礎截面計算網格劃分

下部結構方案對橋梁地震動反應影響較大，且對橋梁總體方案的經濟合理性存在較大影響[11-12]。本工程經計算分析，E1地震作用下，地震分析滿足設計要求，本文僅闡述E2地震作用下，對不同墩柱尺寸和樁基數量下，地震動反應和抗震分析設計。

3.1 墩柱尺寸變化

墩柱底部尺寸2.5m×2.0m、2.0m×2.0m和2.0m×1.6m三種情況下，對關鍵截面墩柱底的地震反應進行分析。靜力作用下，該三種截面均能滿足規范要求。

墩柱高度較高的中間聯的地震反應見表3。表中P2為固定墩，PI表示非固定墩中地震反應最大的墩。

墩柱高度較矮的邊聯的地震反應見表4。

根據計算結果可知，墩柱尺寸越大，中間聯和邊聯的地震墩底地震反應越大；且縱向地震反應遠大于橫向。因為隨著墩柱尺寸變大，橋梁剛度增大，其地震反應隨之增大。因此，在滿足靜力荷載作用的情況下，墩柱尺寸宜盡量小，本文選擇2.0m×1.6m。且經驗算，各墩柱尺寸在E2地震作用下，驗算均不能滿足要求。

表2 各群樁基礎的六彈簧剛度

表3 中間聯不同墩柱尺寸地震反應

表4 邊聯不同墩柱尺寸地震反應

3.2 樁基數量變化

本文對6根、5根、4根三種樁基數量情況，對關鍵截面墩柱底和樁基的地震反應進行分析。樁基布置見圖6。

圖6 不同樁基方案（單位：mm）

選取不同樁基數量下中間聯墩柱底的地震反應，見表5。

根據計算結果可知，樁基數量越多，中間聯的墩底地震反應越大；且縱向地震反應遠大于橫向。因為隨著樁基數量增加，樁土六彈簧剛度增大，橋梁底部約束增大，其地震反應隨之增大。因此，在滿足靜力荷載作用的情況下，樁基數量宜盡量少，本文選擇考慮4根樁。

表5 中間聯地震反應對比分析

選取不同墩柱尺寸下中間聯墩柱底的地震反應，見表6。

表6 中間聯地震反應對比分析

經計算分析，E2地震作用下，墩柱尺寸選擇2.0m×1.6m，樁基數量為4根時，樁基抗震能力能滿足規范要求。

4 延性抗震設計

由上述計算分析可知，在E2地震作用下進行反應譜分析，橫橋向地震作用下，各關鍵截面均能滿足抗震性能目標；縱向地震作用下，固定墩P2墩墩底將進入屈服，應進行延性構件變形能力驗算；根據計算得到的基礎彎矩、剪力和軸力設計值，樁基礎的驗算采用該設計值和永久作用效應組合后進行。

在延性設計中，動力計算模型除延性構件外，均和前述模型相同。對于延性構件，在E2地震作用下，構件的抗彎剛度采用有效截面抗彎剛度，按式（1）確定：

式中：EC為橋墩的彈性模量（kN/m2）)；Ieff為橋墩有效截面抗彎慣性矩（m4）；My為屈服彎矩（kN·m）；φy為等效屈服曲率（1/m）。

4.1 墩頂位移驗算

若墩柱屈服，需按延性構件采用折減剛度（有效截面剛度）計算墩柱的地震反應。以中間聯P2號墩柱為例，縱橋向的有效截面剛度為：

在進行橋墩位移驗算時，按彈性方法計算出的地震位移應乘以地震位移調整系數c。墩頂的順橋向水平位移Δd：

在E2地震作用下，一般情況應驗算潛在塑性鉸區域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力，但對于常規橋梁可驗算橋墩墩頂的位移：

表7 列出了各縱向固定墩的位移能力需求比，在E2水準下墩柱的延性能力是足夠的。

表7 E2地震作用下墩頂位移驗算

4.2 能力保護構件驗算

E2地震作用下，若墩柱屈服，按延性構件設計，則為了保證預期出現彎曲塑性鉸的墩柱構件不發生脆性的如剪切破壞等破壞模式，并保證不宜用于耗能的構件（能力保護構件）處于彈性反應范圍，在確定他們的彎矩、剪力設計值時，應根據墩柱可能出現塑性鉸處按實配鋼筋，并采用材料強度標準值和軸壓力計算出的彎矩承載能力同時考慮抗彎超強的影響來計算得到。

對于橋墩的脆性剪切破壞，必須通過提供較高級別的強度避免。墩柱的抗剪強度按照規范公式計算[13，14]，驗算結果見表8。

表8 墩柱底截面抗剪強度驗算

樁基作為能力保護構件，計算群樁基礎的抗力需求時，應按橋墩塑性鉸區截面的超強彎矩計算其設計地震荷載效應，驗算結果見表9。

表9 P2墩最不利單樁內力最大值

經驗算可知，E2地震作用下，采用延性地震設計理論，該橋梁的位移能力、能力保護構件能力均能滿足規范要求。

5 結語

由上述計算分析可知，得到以下結論。

（1）橋梁地震反應隨著墩柱尺寸變大而增大，隨著樁基數量增大而增大。因此，在滿足靜力荷載作用的條件下，宜盡量讓墩柱尺寸減小，樁基數量減少，靜力作用和動力作用分析存在一個相對合理的平衡點。

（2）本工程在E1地震作用下，墩柱、樁基均保持彈性，滿足抗震性能目標；在E2地震作用下，縱向輸入時固定墩所有墩柱均已屈服。因此，需要進行延性抗震設計，利用墩底塑性鉸的塑性變形減小地震內力。

（3）按照基于能力設計方法的延性抗震理論，對結構在E2地震作用下的抗震性能驗算表明：各橋墩的位移能力滿足抗震設防要求，且具有足夠的抗剪能力，不會發生脆性的剪切破壞，各群樁基礎保持在彈性范圍內工作，抗震性能滿足抗震設防標準。