大挑臂樁柱式橋墩抗震性能分析

程利鵬

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引言

廣西部分地區(qū)地下巖溶現(xiàn)象十分普遍，在橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡量采用少樁、大樁的理念，以減少樁基施工中地質(zhì)情況的不確定性風(fēng)險(xiǎn)。因此，樁柱式橋墩在當(dāng)?shù)毓こ讨休^普遍。相對(duì)于群樁基礎(chǔ)，樁柱式橋墩樁基直接承受立柱傳遞的荷載，特別是彎矩的作用。對(duì)于抗震設(shè)防要求較高的大型工程，為了滿足樁基在罕遇地震作用下仍處于彈性工作狀態(tài)的要求，合理的上部結(jié)構(gòu)形式和支承體系選擇至關(guān)重要。

1 工程背景

某大橋位于南寧市區(qū)西北部某鎮(zhèn)，線路分幅設(shè)計(jì)，橋梁和引道全長(zhǎng)約1.08 km。

橋梁工程包括新建跨右江L=（75+180+75）m的鋼混凝土組合連續(xù)梁橋、兩岸標(biāo)準(zhǔn)跨徑29m的簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁橋，分幅設(shè)計(jì)、分幅施工，單幅標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?3.5 m。

引橋采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑29 m的簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁，3~4跨一聯(lián)，分幅設(shè)計(jì)，單幅標(biāo)準(zhǔn)橋?qū)?3.5 m（除去兩側(cè)欄桿滴水檐寬0.15 m，實(shí)際凈寬23.2 m），兩幅橋之間凈距1.5~5 m。單幅橋設(shè)置7片小箱梁，標(biāo)準(zhǔn)梁距3.34 m，單片梁頂寬2.4 m，底寬1.2 m，高1.6 m，梁底橫向水平，梁頂設(shè)2%橫坡。

橋墩采用預(yù)應(yīng)力蓋梁+雙樁柱式結(jié)構(gòu)，蓋梁采用大挑臂梯形預(yù)應(yīng)力蓋梁，立柱尺寸1.5 m×1.5 m（帶圓弧），樁基采用直徑2 000 mm鉆孔灌注樁，樁基持力層為中風(fēng)化灰?guī)r，樁基進(jìn)入完整巖層不小于2 m，樁之間設(shè)置系梁，如圖1所示。

圖1 某大橋引橋橫斷面布置圖（單位：mm）

2 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防目標(biāo)

橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論可分為強(qiáng)度設(shè)計(jì)、延性設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)[1-3]。采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，即使在罕遇地震作用下，也要求結(jié)構(gòu)仍處于彈性工作狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是震后結(jié)構(gòu)無(wú)損傷，無(wú)須修復(fù)；缺點(diǎn)是對(duì)于地震效應(yīng)較大的地區(qū)下部結(jié)構(gòu)截面和配筋設(shè)計(jì)較困難，經(jīng)濟(jì)性較差。采用延性設(shè)計(jì)理念時(shí)，要求在多遇地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，在罕遇地震作用下立柱可進(jìn)入塑性狀態(tài)，在立柱地震作用彎矩較大的部位形成塑性鉸，通過(guò)塑性鉸耗能并降低結(jié)構(gòu)的自振周期，進(jìn)而降低地震作用效應(yīng)，使下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為經(jīng)濟(jì)。其缺點(diǎn)在于罕遇地震作用下，立柱塑性鉸區(qū)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定程度的損傷，震后需要修復(fù)。因而，對(duì)于延性設(shè)計(jì)要控制立柱的塑性鉸區(qū)塑性轉(zhuǎn)角和墩頂位移，進(jìn)而控制立柱的損傷程度，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。采用減隔震設(shè)計(jì)時(shí)，通常是通過(guò)變形能力和耗能能力較強(qiáng)的減隔震支座將上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)隔開，通過(guò)大幅增加結(jié)構(gòu)自振周期同時(shí)伴以支座耗能，使地震作用效應(yīng)大幅降低。但減隔震設(shè)計(jì)使用的支座單價(jià)比常規(guī)支座高，對(duì)支座變形空間需求也較大。

根據(jù)本工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告，本工程范圍內(nèi)E1地震作用水平向地震加速度動(dòng)峰值0.099g，特征周期0.35 s；E2地震作用水平向地震加速度峰值0.152g，特征周期0.4 s，引橋設(shè)防類別為乙類。根據(jù)地震峰值加速度，場(chǎng)地的地震強(qiáng)度介于6度區(qū)和7度區(qū)之間。相比于盆式支座，本橋采用板式橡膠支座能有效降低結(jié)構(gòu)的自振基頻，減小結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，并且可以通過(guò)調(diào)節(jié)板式橡膠支座的厚度來(lái)平衡不同立柱高度的橋墩的剛度差。另外，還避免了采用固定支座導(dǎo)致一聯(lián)中某個(gè)單墩受力不利的問(wèn)題。

根據(jù)抗震設(shè)防類別要求，E1地震作用下要求立柱和樁基保持彈性工作狀態(tài)，E2地震作用下立柱可以進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，但樁基作為能力保護(hù)構(gòu)件必須仍然保持在彈性工作狀態(tài)。對(duì)于樁柱式橋墩來(lái)說(shuō)，樁基直接承受立柱傳遞而來(lái)的彎矩和軸力，而樁基采用圓形截面，抗彎效率較低，樁基一般難以在立柱已經(jīng)屈服的情況下只身仍保持彈性工作狀態(tài)，這就形成了樁柱式橋墩抗震設(shè)計(jì)的特點(diǎn)：為了保持樁基的彈性工作狀態(tài)，立柱也必須保持彈性工作狀態(tài)。因此，本工程下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬采用強(qiáng)度設(shè)計(jì)的方法，使下部結(jié)構(gòu)在E1和E2地震作用下均處于彈性工作狀態(tài)。

3 橋墩抗震分析

引橋采用簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁，3~4跨一聯(lián)，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為3×29.0 m和4×29.0 m，采用板式橡膠支座。選取標(biāo)注跨徑為3×29.0 m的一聯(lián)進(jìn)行抗震分析。

3.1 橋墩構(gòu)造和配筋

橋墩蓋梁的高度為2.2 m，立柱的尺寸為1.7 m×1.7 m（帶圓弧倒角），立柱的高度約為8 m。樁基直徑為2.0 m，與上部立柱直接相連，樁頂采用系梁連接。系梁的的高度為1.5 m，寬度為1.7 m。立柱配筋每邊為中間8根φ28的HRB400鋼筋加倒角處3根φ28的HRB400鋼筋。系梁的上緣和下緣分別配置11根φ25的HRB400鋼筋，如圖2所示。蓋梁采用C50混凝土，立柱采用C40混凝土，系梁采用C35混凝土。

圖2 橋墩配筋圖（單位：mm）

3.2 邊界條件剛度分析

橋梁從上到下的傳力路徑為小箱梁—支座—蓋梁—立柱—樁基，因此在建立抗震分析模型時(shí)涉及兩處連接部位的模擬：支座與樁基。分別論述如下：

板式橡膠支座可采用線性彈簧單元模擬，其剪切剛度可按下式計(jì)算：

式中：Gd為板式橡膠支座的動(dòng)剪切模量，kN/m2，一般取1 200 kN/m2；Ar為橡膠支座的剪切面積，m2；∑t為橡膠層的總厚度，m。

樁基剛度應(yīng)采用六彈簧模型進(jìn)行模擬，各方向的剛度系數(shù)可采用m法求解，求出單位力作用下的位移即可。

3.3 計(jì)算模型

對(duì)于橋墩地震作用效應(yīng)的計(jì)算，采用空間有限元分析軟件Midas對(duì)橋?qū)払=23.5 m、跨徑L=3×29.0 m的一聯(lián)建立計(jì)算模型。為了考慮相鄰一聯(lián)的影響，在左右各建立一聯(lián)邊界聯(lián)，如圖3所示。輸入地震作用參數(shù)：E1峰值加速度0.099g，特征周期0.35 s；E2峰值加速度0.152g，特征周期0.4 s。模型通過(guò)剪切彈簧考慮板式橡膠支座的剛度，六自由度彈性約束考慮樁基的基礎(chǔ)柔度的影響，采用多振型反應(yīng)譜法計(jì)算立柱地震效應(yīng)。

圖3 引橋橋墩地震效應(yīng)計(jì)算模型

3.4 分析結(jié)果

提取中間一聯(lián)受力較不利的中墩在E1和E2地震作用下，橫橋向和順橋向的響應(yīng)如圖4、圖5所示。

圖4 地震作用下立柱縱橋向彎矩（單位：kN·m）

圖5 地震作用下立柱橫橋向彎矩（單位：kN·m）

上述結(jié)果是單獨(dú)地震力作用下的效應(yīng)，還應(yīng)與恒載、預(yù)應(yīng)力效應(yīng)相組合。組合后的內(nèi)力結(jié)果見表1~表3。為了判斷立柱是否屈服，采用Ucfyber程序計(jì)算立柱的相應(yīng)軸力下的抗彎能力。同時(shí)需注意的是，E1地震時(shí)材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值，E2地震時(shí)材料強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 縱橋向立柱強(qiáng)度檢算結(jié)果

表2 E1橫橋向立柱強(qiáng)度檢算結(jié)果

表3 E2橫橋向立柱強(qiáng)度檢算結(jié)果

從表1~表3中可以看出，E1和E2地震作用下立柱均處于彈性工作狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

在E2地震作用下，立柱未屈服，立柱的抗剪強(qiáng)度需求為1 766 kN。按照《城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果為3 908 kN，立柱的抗剪強(qiáng)度滿足要求。

4 樁基抗震分析

樁基采用直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁基配筋采用36根φ32鋼筋沿樁截面環(huán)形布置。E2地震作用下樁基按能力保護(hù)構(gòu)件計(jì)算樁身強(qiáng)度。

E1縱向地震作用下，樁頂?shù)淖畲髲澗貫?981kN·m，軸力為8 170 kN；E1橫向地震作用下，樁頂?shù)淖畲髲澗貫? 464 kN·m，最小軸力為7 564 kN。

E2縱向地震作用下，樁頂?shù)淖畲髲澗貫?0752kN·m，軸力為8 170 kN；E2橫向地震作用下，樁頂?shù)淖畲髲澗貫? 224 kN·m，最小軸力為5 742 kN。

考慮最不利組合，以最小單樁軸力時(shí)，驗(yàn)算樁身抗彎強(qiáng)度，利用Ucfyber程序求得E2橫向地震作用下，樁基的屈服彎矩為12 870 kN·m，如圖6所示。樁基處于彈性工作狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 樁基等效屈服彎矩計(jì)算

5 結(jié)語(yǔ)

（1）本文以南寧市某大橋引橋?yàn)楣こ虒?shí)例，對(duì)上部結(jié)構(gòu)為連續(xù)小箱梁、采用板式橡膠支座，下部結(jié)構(gòu)為樁柱式雙柱墩的橋梁受力體系進(jìn)行了抗震分析。結(jié)果表明，在按靜力要求配筋的情況下，橋梁下部結(jié)構(gòu)在E1和E2地震作用下均保持彈性工作狀態(tài)。

（2）橋梁下部結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論可分為強(qiáng)度設(shè)計(jì)、延性設(shè)計(jì)和減隔震設(shè)計(jì)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體條件，在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下，盡可能滿足經(jīng)濟(jì)性的要求。具體到廣西南寧地區(qū)，由于地下溶洞發(fā)育，一般采用少樁、大樁的設(shè)計(jì)思路。目前南寧抗震設(shè)防要求已經(jīng)提高到Ⅶ度，本文的橋梁結(jié)構(gòu)體系將具有較好的適用性和經(jīng)濟(jì)性。