地震高烈度地區高墩預制橋梁抗震性能分析

張軍

【摘 要】?常見高墩預制橋梁結構形式為多跨簡支結構、板式橡膠支座及樁柱式基礎。在高烈度地震下的防落梁、能力保護構件性能問題威脅橋梁整體抗震性能。文章以某全長1 083 m，最高墩46.3 m的城市高墩預制橋梁為背景，對高墩預制橋梁結構進行了抗震性能分析以及對抗震設計優化。分析結論可為同類橋梁抗震設計提供參考。

【關鍵詞】高墩; 抗震; 能力保護構件; 優化設計

目前，多級設防的抗震設計思路已被廣泛接受。結構抗震設計方法由原來的單一設防水準一階段設計逐漸發展兩水準或三水準設防兩階段設計、三階段設計，以及多水準設防、多性能目標準則的基于性能的抗震設計方法。其中，分別采用對應于重現期475年的E1地震作用和重現期2500年的E2地震作用進行兩水準設防，兩階段設計的抗震設計方法（兩水平的抗震設計方法）被廣泛應用，為我國CJ 166-2011《城市橋梁抗震設計規范》（本文后續稱“規范”）采用的設計方法。

城市高墩預制結構橋梁下不同于現澆結構橋梁，預制結構橋梁通常采用板式橡膠支座，相比起現澆橋梁通常采用可約束固定的盆式支座而言，地震作用下的梁體位移更大;而高墩結構通常在E2地震作用下進入塑性，其塑性鉸區的性能需要進行研究。而作為能力保護構件的橋墩抗剪、蓋梁可能需要增強構造或者配筋，以實現能力保護構件設計原則。

1 工程概況

某城市快速路橋梁，設計車速80 km/h;地震基本烈度Ⅶ度，地震動加速度峰值系數0.1g。全橋共10聯：（1×30+3×40+4×40+4×25+5×25+4×25+4×40+4×40+1×25+4×25） m，單幅標準橋寬12.5 m;上部結構采用除第1孔采用應力混凝土現澆箱梁外，其它均為預應（后張）簡支T梁，橋面連續;下部結構橋臺座板臺，擴大基礎。27號～31號橋墩采用空心變截面墩，其余橋墩采用柱式墩，橋墩采用樁基礎。根據規范，該橋梁抗震設防分類為乙類，在E1地震作用下應使結構處于彈性范圍，E2作用下允許有限損傷（圖1）。

2 抗震分析

2.1 抗震分析模型

本橋全長1 081.5 m，若全橋建模則模型體量巨大，分析困難。考慮耦聯作用及模態影響，選取第2～3、7～10聯為高墩（>30 m）區域，需重點關注其抗震性能，其余聯由于墩高較矮（或為蓋梁+樁基模式），其地震作用起控制作用，可作為邊界條件進行建模。橋梁分左、右幅，左幅略寬于右幅，取左幅進行建模。

在橋梁的地震反應分析中，為了獲得準確的地震響應結果，需模擬樁-土效應，其彈簧剛度根據土層狀況、土層剛度和樁的布置形式按靜力等效的原則計算。采用m法模擬土彈簧剛度時，地基系數的比例系數m在JTG 3363-2019《公路橋梁地基與基礎設計規范》中取值范圍較大，可參考《地基系數的比例系數m的確定》[1]，以土的變形模量E0作為m取值。

25 m跨T梁支座采用GBZJ350×450×69（CR）、GBZJH350×450×71（CR）;40 m跨T梁支座采用GBZJ400×450×84（CR）、GBZJH400×450×86（CR）;現澆箱梁采用GPZ（II）-4.5-GD/SX/DX支座。支座線彈性剛度取值見表1。

采用MIDAS軟件進行建模計算，以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。全橋分兩部分建模，1～4聯有限元空間模型如圖2所示。

采用反應譜法進行抗震分析，并分別考慮E1地震和E2地震作用下的結構反應。采用Lanczos法計算結構前150階自振頻率，并保證順橋向振型參與質量達到99.72 %，橫橋向振型參與質量達到99.72 %，滿足規范要求。

2.2 支座位移分析

罕遇地震作用下，需對支座橡膠厚度和抗滑穩定性能進行驗算，確保支座具有足夠的抗水平位移能力，避免落梁現象。

本橋常遇E1地震+恒載+溫度效應作用下，水平位移和滑動力驗算均無法通過規范要求，即梁體存在滑落風險（表2、表3）。

以上結果可見，E2作用下，支座的相對位移和滑動力進一步增大，難以滿足規范要求。大量高烈度地震區預制橋梁計算表明，使用板式橡膠支座的橋梁，地震作用下均存在落梁風險，對此類橋梁建議增設防落梁措施。

預制T梁防落梁通常有以下措施：①梁底安裝防落梁緩沖鏈;②梁端設置拉桿;③橫向設置擋塊;④采用高阻尼隔震橡膠支座。以上方案中前三者為構造措施，采用高阻尼橡膠支座則是通過改變結構剛度和阻尼特性來改善梁體位移。

本橋進行優化設計時，除了采取構造措施確保防落梁，還采用了高阻尼隔震橡膠支座。25 m跨T梁采用HDR（I）-370×420×187-G1.0型;40 m跨T梁采用HDR（I）-420×420×187-G1.0型。

由于高阻尼隔震支座容許剪切方向屈服，因此僅控制剪切方向位移即可，經過驗算所有支座剪切位移均滿足要求（表4）。

對6～10聯的計算結果也呈現同樣結果。由于本文涉及的模型為常規橋梁，上、下部結構均為通用圖模式，可認為分析結果具有一定普遍性。說明對于高烈度地震區的高墩預制橋梁，采用普通板式支座時，梁體在地震作用下滑落問題不可忽略，必須增設可靠防落梁措施確保支座位移。由于高阻尼隔震橡膠支座通常具有較強的彈性剛度和剪切變形能力，采用高阻尼橡膠支座+防落梁構造措施的方式最為可靠。

2.3 能力保護構件蓋梁構造分析

本橋橋墩在E2地震作用下進入塑性，采用延性設計，蓋梁的彎矩設計值應根據恒載彎矩和墩頂截面超強彎矩計算，計算過程參照規范相關規定。

由于墩徑2.2 m橋墩超強彎矩值顯著大于其余墩徑，蓋梁設計彎矩值受2.2 m墩的墩頂超強彎矩值控制。根據墩頂超強彎矩和蓋梁恒載彎矩可得蓋梁作為能力保護構件時，設計彎矩見表5。

本橋蓋梁采用T型斷面形式，頂寬2.4 m，底寬1.3 m，如圖3所示。

觀察蓋梁上表以超強彎矩為依據的設計值可見，蓋梁設計彎矩值很大，高于此類橋梁靜力分析時的蓋梁設計彎矩值，且正負彎矩差值較小。采用T型截面蓋梁時，正彎矩區由于寬度窄，配筋率受限，當頂底采用同等規格和間距配筋時，承載力之比約為1.4∶1;根據計算底層鋼筋采用3層HRB50028@10 cm，正彎矩承載能力22 833 kN·m，滿足能力保護構件要求，安全系數k=1.05。底面鋼筋層數多，布置間距小，對于混凝土的澆筑質量和保護層設置等要求較高。考慮到結構采用了減隔震支座時，為了讓減隔震設施作用耗能最大化，應避免橋墩進入塑性，避免引起更大的位移及修復困難。 若橋墩在E2地震作用下維持彈性，則蓋梁作為能力保護構件設計時，設計內力仍允許用E2地震作用計算得到的內力進行，蓋梁承載力的控制性因素為靜力分析，此時負彎矩設計值大于正彎矩，采用T型蓋梁具有合理性（圖3）。優化設計時，增強了橋墩配筋，并參考JTGT 2231-01-2020《公路橋梁抗震設計規范》考慮采用了高阻尼隔震支座的剛度、阻尼修正，使橋墩在E2作用下為彈性，地震耗能構件采用支座，因此蓋梁的承載能力由靜力控制，采用T型蓋梁各項驗算均滿足規范要求，且更加經濟美觀。

3 結論

本文對某全長1 083 m，最高墩46.3 m的城市高墩預制橋梁進行抗震設計分析，并針對地震作用下支座位移、蓋梁截面形式選擇的問題進行一定程度優化設計，得出以下結論：

（1）對于高烈度地震區的高墩預制橋梁，采用普通板式支座時，梁體在地震作用下滑落問題必須重視，應增設防落梁措施減少支座相對位移。高阻尼隔震橡膠支座具有較強的彈性剛度和剪切變形能力，采用高阻尼橡膠支座+防落梁構造措施的方式較為可靠;

（2）當橋墩按照延性構件進行設計時，橋墩蓋梁的正負彎矩設計值相當，蓋梁截面宜采用矩形等截面進行設計;當橋墩在E2作用下仍保持彈性時，蓋梁由靜力分析控制其設計承載力，推薦采用T型蓋梁

參考文獻

[1] 李俊，強士中，李小珍.地基系數的比例系數m的確定[J]. 鐵道標準設計， 2004（11）：83-85.

[2] CJJ166-2011 城市橋梁抗震設計規范[S].

[3] JTG/T 2231-01-2020 公路橋梁抗震設計規范[S].

3110501908278