山區(qū)高速公路橋梁圓柱式墩抗震設(shè)計(jì)

李海洋

摘 要：山區(qū)高速公路的突出特點(diǎn)是地形條件復(fù)雜、橋隧比高、施工條件差。根據(jù)墩高不同，橋墩一般采用圓柱式墩、方墩、箱型墩等設(shè)計(jì)方案。方墩、箱型墩需要設(shè)置群樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)尺寸較大，其需要開挖較大的施工平臺(tái)，對(duì)山體的破壞比較嚴(yán)重。為貫徹“綠色公路”設(shè)計(jì)理念，橋墩應(yīng)盡可能避免設(shè)置群樁基礎(chǔ)，采用圓柱式墩。本文利用Midas有限元軟件，建立了35 m墩高圓柱式橋墩有限元分析模型，驗(yàn)算在Ⅶ度區(qū)地震作用下橋墩的抗震性能。結(jié)果表明，圓柱式墩滿足抗震要求，這就為山區(qū)高速公路項(xiàng)目圓柱式墩設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：山區(qū)高速公路;圓柱式墩;抗震

中圖分類號(hào)：U442.55 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）06-0104-03

Seismic Design of Cylindrical Piers of Mountain Expressway Bridges

LI Haiyang

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The outstanding features of mountain expressways are complex terrain conditions， high bridge-tunnel ratios， and poor construction conditions. According to different pier heights， the piers generally adopt cylindrical piers， square piers， box piers and other design schemes. Square piers and box-shaped piers need to be equipped with group pile foundations， and the foundation size is larger， which requires a larger construction platform to be excavated， and the damage to the mountain is more serious. In order to implement the "green highway" design concept， the piers should avoid setting pile foundations as much as possible and adopt cylindrical piers. In this paper， by using Midas finite element software， a finite element analysis model of a 35 m pier height cylindrical pier was established， and the seismic performance of the pier under the action of an earthquake in the Ⅶ degree area was checked. The results show that the cylindrical pier meets the seismic requirements， which provides a reference for the design of the cylindrical pier in mountainous expressway projects.

Keywords： mountain expressway;cylindrical pier;earthquake resistance

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國高速公路建設(shè)實(shí)現(xiàn)了跨越式增長。高速公路的建設(shè)區(qū)域已由平原區(qū)、丘陵低山區(qū)逐步向山嶺重丘區(qū)延伸。山區(qū)高速公路的特點(diǎn)是地形條件復(fù)雜、橋隧比高且施工條件較差。一般情況下，山區(qū)高速公路橋墩設(shè)計(jì)原則為：當(dāng)墩高[h]≤25 m時(shí)，橋墩結(jié)構(gòu)采用圓柱式墩+樁基礎(chǔ)方案;當(dāng)25 m<[h]≤35 m時(shí)，采用方墩+群樁基礎(chǔ)方案;當(dāng)35 m<[h]≤60 m時(shí)，采用空心墩+群樁基礎(chǔ)方案。

圓柱式墩+樁基礎(chǔ)方案具有外形美觀、圬工體積少、施工工藝成熟與便利等特點(diǎn)，但其強(qiáng)度與穩(wěn)定性較方墩與箱型墩差。方墩或箱型墩+群樁基礎(chǔ)方案具有強(qiáng)度、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，但該方案施工工藝復(fù)雜，而且群樁基礎(chǔ)尺寸一般較大，施工過程中需要開挖較大的作業(yè)平臺(tái)，對(duì)高速公路項(xiàng)目沿線自然景觀破壞較大，與近年來所貫徹的“綠色公路”設(shè)計(jì)理念不符。因此，山區(qū)高速公路橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少群樁基礎(chǔ)的設(shè)置，多采用圓柱式橋墩設(shè)計(jì)方案。本文利用Midas有限元分析軟件，建立了35 m墩高圓柱式墩有限元分析模型，驗(yàn)算在Ⅶ度區(qū)地震動(dòng)峰值加速度0.10[g]（1 g=9.8 m/s2）情況下的抗震性能。結(jié)果表明，橋墩在E1地震作用下的強(qiáng)度條件滿足設(shè)計(jì)要求;在E2地震作用下，橋墩出現(xiàn)塑性鉸，順橋向、橫橋向塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度以及位移均能滿足抗震要求[1]。

1 計(jì)算模型

根據(jù)山區(qū)高速公路特點(diǎn)，30 m和40 m跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式T梁是山區(qū)高速公路中小跨徑橋梁上部結(jié)構(gòu)的首選。本研究選取典型設(shè)計(jì)，即時(shí)速100 km/h、路基斷面寬26 m的高速公路橋梁，橋梁分幅設(shè)計(jì)，橫斷面如圖1所示。橋墩樁間距為7.1 m，連接墩支座采用GJZF4400X400X71型四氟滑板橡膠支座，中墩采用GJZ450X600X90型板式橡膠支座。主梁采用C50型號(hào)混凝土，橋墩、蓋梁、柱間系梁采用C40型號(hào)混凝土，樁頂系梁、基樁采用C30型號(hào)混凝土。

橋墩立柱主筋采用34根直徑28 mm的HRB400鋼筋，箍筋采用直徑12 mm的HRB400鋼筋，箍筋間距為80 mm，凈保護(hù)層厚度為50 mm。

2 有限元模型

Midas計(jì)算模型中，主梁、蓋梁、橋墩、樁頂系梁和柱間系梁基樁均采用梁單元進(jìn)行模擬，板式橡膠支座采用彈性連接，其剪切剛度依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）取值[2]。結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖2所示。

基樁約束采用節(jié)點(diǎn)彈性連接，連接剛度采用《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3363—2019）中[m]法計(jì)算[3]。

橋位處地震動(dòng)峰值加速度為0.10[g]，特征周期為0.40 s，場地類型為二類場地。E1、E2地震作用下，水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜如圖3所示。本研究采用多振型反應(yīng)譜分析方法，地震作用效用采用CQC方法計(jì)算。

3 模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 地震作用下橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算

由計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果可知，橋墩最不利截面位于立柱底截面，該最不利截面處在E1、E2地震作用下所受軸力及彎矩如表1所示。

由表1可知，在E1地震作用下，橋墩未進(jìn)入塑性狀態(tài)，按照現(xiàn)行的公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定驗(yàn)算橋墩的強(qiáng)度，強(qiáng)度滿足要求，安全系數(shù)約為2.89，表明其具有足夠的安全儲(chǔ)備。在E2地震作用下，墩柱的壓彎強(qiáng)度不能滿足要求，墩柱出現(xiàn)塑性鉸。在E2地震作用下，人們需要進(jìn)行墩柱塑性鉸區(qū)域抗剪強(qiáng)度及墩頂位移驗(yàn)算。

3.2 E2地震作用下塑性鉸區(qū)域抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

塑性鉸區(qū)域內(nèi)順橋向及橫橋向的斜截面抗剪強(qiáng)度的大小取決于塑性鉸區(qū)混凝土的抗剪能力貢獻(xiàn)以及橫向鋼筋的抗剪能力貢獻(xiàn)。塑性鉸區(qū)域混凝土抗剪強(qiáng)度由墩柱軸壓力大小、墩柱體積配箍率、混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及核心混凝土截面面積等因素決定。橫向鋼筋抗剪能力受箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及箍筋截面面積等因素影響。

根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）規(guī)定，人們可以得出塑性鉸區(qū)域內(nèi)順橋向及橫橋向的斜截面抗剪強(qiáng)度。

鋼筋混凝土構(gòu)件的剪切破壞屬于脆性破壞，是一種危險(xiǎn)的破壞模式，對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)，墩柱剪切破壞會(huì)大大降低結(jié)構(gòu)的延性能力。由于在E2地震作用下墩柱出現(xiàn)塑性鉸，橋墩的彎矩及剪力設(shè)計(jì)值應(yīng)按能力保護(hù)原則計(jì)算。墩柱的剪切強(qiáng)度應(yīng)大于墩柱可能在地震中承受的最大剪力，對(duì)應(yīng)于墩柱塑性鉸處截面可能達(dá)到的最大彎矩承載力。

順橋向墩柱剪力設(shè)計(jì)值取墩底塑性鉸區(qū)截面超強(qiáng)彎矩所對(duì)應(yīng)的剪力值，即

[Vc0=MnHn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

式中，[Mn]為塑性鉸截面超強(qiáng)彎矩，[Mn]=[1.2Mu];[Hn]為墩頂?shù)蕉盏姿苄糟q中心的距離。

橫橋向雙柱式墩墩底及墩頂均可能形成塑性鉸，塑性鉸區(qū)橫橋向剪力設(shè)計(jì)值為：

[Vc0=Mtn+MbnHn]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

式中，[Mtn]為單柱墩墩頂塑性鉸區(qū)截面超強(qiáng)彎矩;[Mbn]為單柱墩墩底塑性鉸區(qū)截面超強(qiáng)彎矩。

表2 塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算及構(gòu)造要求

[塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度 E2作用下/kN 容許值/kN 是否滿足規(guī)范 縱橋向 421.47 1 541.43 滿足 橫橋向 789.5 1 541.43 滿足 ]

注：最小體積含箍率為0.008 8，設(shè)計(jì)體積含箍率為0.006 6。

由表2可知，塑性鉸區(qū)域抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。由于墩柱較高，墩柱截面較大，箍筋的配置由最小體積含箍率控制。墩柱截面箍筋配置被調(diào)整為并置兩根直徑10 mm的HRB400鋼筋，箍筋間距為80 mm，設(shè)計(jì)體積含箍率為0.009 2，滿足相關(guān)規(guī)范要求[4]。

4.3 E2地震作用下墩頂位移驗(yàn)算

順橋向墩頂容許位移以單柱墩容許位移驗(yàn)算，其主要受塑性鉸區(qū)最大容許轉(zhuǎn)角、截面等效屈服曲率以及等效塑性鉸長度的影響。順橋向墩頂容許位移由式（3）計(jì)算得出，即

[Δu=13H2×φy+（H-LP2）×θu]? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[φy]為截面等效屈服曲率;[θu]為塑性鉸區(qū)最大容許轉(zhuǎn)角;[LP]為等效塑性鉸長度;[H]為懸臂墩的高度或塑性鉸截面到反彎點(diǎn)的距離。

等效塑性鉸長度同塑性變形的發(fā)展和極限壓應(yīng)變有很大的關(guān)系，依據(jù)抗震規(guī)范提供的經(jīng)驗(yàn)公式確定。

截面等效屈服曲率[φy]和極限曲率[φu]等采用彎矩曲率曲線進(jìn)行計(jì)算。利用彎矩曲率曲線進(jìn)行計(jì)算時(shí)，混凝土采用Mander模型，鋼筋采用雙折線模型。

橫橋向橋墩為雙柱式墩，對(duì)于雙柱式墩，橫橋向很難根據(jù)塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)能力直接給出計(jì)算墩頂容許位移的計(jì)算公式，橫向橋最大容許位移采用Pushover工具進(jìn)行非線性靜力分析，若墩柱的任一截面達(dá)到最大容許轉(zhuǎn)角，則即得到橋墩橫橋向的容許位移[5]。

由表3可知，在配筋參數(shù)修正的情況下，對(duì)墩柱進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)時(shí)，地震作用下墩柱變形可滿足規(guī)范要求且具有較大的安全度。

5 結(jié)論

針對(duì)一聯(lián)4×30 m T梁橋，根據(jù)建立的35 m墩高圓柱式墩有限元模型，本研究采用多振型反應(yīng)譜法進(jìn)行了抗震性能驗(yàn)算，主要得到以下結(jié)論。在E1地震作用下，橋墩處于彈性工作狀態(tài)，處于偏壓狀態(tài)的圓柱式墩強(qiáng)度驗(yàn)算滿足要求;在E2地震作用下，橋墩出現(xiàn)塑性鉸，塑性鉸區(qū)抗剪強(qiáng)度及墩頂位移均滿足相關(guān)規(guī)范要求。若橋墩高度小于35 m，則橋墩型式可以由方墩優(yōu)化為圓柱式墩，從而減小橋墩基礎(chǔ)尺寸，降低橋梁墩臺(tái)對(duì)沿線原狀地形地貌的破壞，貫徹“綠色公路”設(shè)計(jì)理念。在墩高較大的情況下，塑性鉸區(qū)順橋向及橫橋向抗剪強(qiáng)度主要受最小體積含箍率控制。

參考文獻(xiàn)：

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[3]交通運(yùn)輸部.公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG T 2231-01—2020[S].北京：人民交通出版社，2020.

[4]范立礎(chǔ)，李建中.汶川橋梁震害分析與抗震設(shè)計(jì)對(duì)策[J].公路，2009（5）：122-128.

[5]李建中，宋曉東，范立礎(chǔ).橋梁高墩位移延性能力的探討[J].地震工程與工程振動(dòng)，2005（1）：43-48.