平原區雙柱墩橋梁抗震性能研究

宋志仕

（湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，長沙 410200）

1 引言

橋梁結構是公路交通中的重要組成部分，在地震災害發生時，橋梁結構能否保通搶險是保證人民生命安全的基本前提。因此，橋梁抗震設計尤為重要。本文通過對益常高速公路擴容工程雙柱墩橋梁抗震設計進行研究，為類似項目的抗震設計提供設計思路和關注重點。

2 工程概況

益常高速擴容工程跨越地區地勢平坦，基本農田區居多，為了最大限度地保護基本農田，設計中采用橋梁比重較大（為67.9%）。K59～K93（終點）均采用橋梁跨越，本區段內抗震設防烈度為Ⅶ度，K59～K86 設計基本加速度值為0.10g，K86～終點設計基本加速度值為0.15g，地震動反應譜特征周期均為0.35 s，場地類別均為Ⅱ類[1]。

全線上部結構主要采用30 m 連續小箱梁，單幅橋梁寬度為16.75 m，梁高1.6 m，單幅橋梁橫向布置3 片中梁及2 片邊梁。下部結構采用蓋梁雙柱式墩，蓋梁高1.8 m、寬2 m，柱間距9.1 m。全線墩高分布在8～15 m（含蓋梁）區間內居多。

本文選取典型4 m×30 m 連續小箱梁進行抗震性能研究（地震參數：設計基本加速度值0.15g，地震動反應譜特征周期0.35 s，場地類別Ⅱ類）。

3 抗震分析方法

橋梁抗震分析的方法有靜力法、反應譜法、動力時程分析法、隨機振動法、等效線彈性分析方法等[2]。根據JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》[3]劃分，本項目30 m連續小箱梁為B 類規則橋梁。且設計基本加速度值為0.15g，需進行E1 和E2 地震作用下的抗震分析和抗震驗算，并滿足相關構造及抗震措施要求，抗震分析方法可采用單振型反應譜法。

B 類梁橋，可采用兩種抗震體系：（1）延性抗震設計；（2）減隔震設計。本項目裝配式橋梁采用延性抗震設計，典型雙柱墩的耗能部位（即潛在塑性鉸區域）如圖1 所示。

圖1 雙柱墩的耗能部位（潛在塑性鉸區域）示意圖

4 抗震分析要點

按典型4 m×30 m 一聯進行計算，一聯內墩高相差不大，可僅建立單墩模型進行抗震分析，上部恒載及擋塊等以荷載的形式加載在對應位置。利用有限元分析軟件Midas Civil 2020 建立單墩模型，采用反應譜法進行橋梁抗震分析。

4.1 樁柱直徑選取及配筋信息

根據本項目墩高特點，選取表1 中4 種工況進行抗震分析。

表1 抗震分析工況

4.2 荷載工況

抗震分析考慮以下4 種地震組合：

1）E1 縱向組合：恒載+E1 縱向地震效應；

2）E1 橫向組合：恒載+E1 橫向地震效應；

3）E2 縱向組合：恒載+E2 縱向地震效應；

4）E2 橫向組合：恒載+E2 橫向地震效應。

4.3 計算分析流程

1）建立單墩模型，加載上部結構恒載，樁土作用采用節點彈性支撐進行模擬。

2）計算順橋向E1、橫橋向E1，加載后按混規計算結構內力、位移反應。結構均需處于彈性階段。

3）計算混凝土的極限壓應變εcu、約束鋼筋的折減極限應變εRcu、縱筋的折減極限應變εlu作為軸力-彎矩-曲率曲線計算極限破壞狀態的曲率能力φu的判別條件。

4）對墩柱進行剛度折減后，計算順橋向E2、橫橋向E2，加載后按JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》計算結構內力、位移反應：若滿足彈性工作要求，則按E2+恒載作用計算結果進行墩柱抗剪、蓋梁、基礎設計；若計入塑性工作范圍，則需驗算墩頂位移，并按能力保護原則進行墩柱抗剪、蓋梁、基礎設計。

5）進行斜截面抗剪強度驗算，并驗算是否滿足最小配箍率要求。

5 主要抗震分析結果

5.1 縱向地震力E1 求解及結構驗算

在固定支座頂面加載單位荷載計算結構響應，求得順橋向的基本周期T1、順橋向固定支座頂面地震力Ektp、順橋向活動支座頂面地震力Ekti。將E1 縱向組合作用在結構上進行計算分析，4 種工況下，墩柱均處于彈性受力狀態，滿足規范要求。

5.2 橫向地震力E1 求解及結構驗算

在上部結構質心處加載均布荷載p0=1 kN/m 計算結構響應，橫橋向的基本周期T1、橫橋向地震等效均布荷載pe。將E1橫向組合作用在結構上進行計算分析，4 種工況下，墩柱均處于彈性受力狀態，滿足規范要求。

5.3 縱向地震力E2 求解及結構驗算

1）對墩柱剛度進行折減后，求得T1、Ektp、Ekti。將E2 縱向組合作用在結構上進行計算分析。4 種工況下，墩柱均不滿足彈性受力要求，需進行墩頂位移驗算。

2）順橋向墩頂容許位移：Δu=H2φy/3+(H-Lp/2)θu，其中，H為墩高；φy為等效屈服曲率；Lp為等效塑性鉸長度；θu為塑性鉸區的最大容許轉角。

E2 縱向組合作用下，墩頂位移Δd從Midas 模型分析提取，見表2。

表2 E2 縱向組合作用下墩頂位移驗算

由表2 可知，4 種工況下，墩頂位移均滿足要求。

5.4 橫向地震力E2 求解及結構驗算

1）對墩柱剛度進行折減后，求得T1和pe。將E2 橫向組合作用在結構上進行計算分析。4 種工況下，墩柱均不滿足彈性受力要求，需進行墩柱變形驗算。

2）采用靜力推倒分析方法進行墩柱變形驗算，當墩柱任一塑性鉸處達到最大容許曲率值（φu/2）時，墩頂的橫向水平位移即為容許位移Δu。

E2 橫向組合作用下，墩頂的橫向水平位移Δd可從Midas模型分析提取，見表3。

表3 E2 橫向組合作用下墩頂位移驗算

由表3 可知，4 種工況下，橫向水平位移均滿足要求。

5.5 塑性鉸區斜截面抗剪強度驗算

本次驗算的4 種工況，在E2 地震作用下，塑性鉸區截面均進入塑性工作范圍，需采用超強彎矩進行斜截面抗剪強度驗算：

縱向抗剪驗算需滿足：Vc0Z=Mn/Hn≤φ(Vc+Vs)；

橫向抗剪驗算需滿足：Vc0H=（Mnt+Mnb）/Hn≤φ(Vc+Vs)。式中，Vc0Z、Vc0H為剪力設計值；Mn為超強彎矩；Mnt為墩頂塑性鉸區域截面的超強彎矩；Mnb為墩底塑性鉸區域截面的超強彎矩；Hnb為塑性鉸中心距；φ 為抗剪強度折減系數；Vc為混凝土的抗剪貢獻；Vs為橫向鋼筋的抗剪貢獻。

4 種工況下，塑性鉸區螺旋箍筋間距s、最不利剪力設計值Vc（0取Vc0Z、Vc0H中的較大值）及抗剪強度φ(Vc+Vs)結果見表4。

表4 斜截面抗剪驗算

由表4 可知：

1）在同樣是8 m 墩高的情況下，采用1.4 m+1.6 m 樁柱較1.6 m+1.8 m 樁柱能獲得更大的螺旋箍筋間距，更利于保證振搗質量。

2）同樣的樁柱直徑組合（1.6 m +1.8 m 樁柱）下，墩高越高，滿足要求的螺旋箍筋間距越大。

5.6 塑性鉸區最小配箍率驗算

圓形墩柱潛在塑性鉸區域內加密箍筋的最小配箍率ρs,min要求：

式中，ηk為軸壓比；ρt為縱向配筋率；fck為混凝土抗壓強度標準值，MPa；fyh為箍筋抗拉強度設計值，MPa。

4 種工況下，墩柱潛在塑性鉸區的配箍率ρs及最小配箍率要求ρs,min均滿足要求。

6 結論

1）平原區雙柱墩橋梁，由于一聯內的墩高基本一致且地質變化不大，可采用單墩模型進行分析。

2）在滿足E1 地震組合作用下處于彈性工作狀態、E2 地震組合作用下滿足變形要求的前提下，采用較小直徑的樁柱組合能獲得更大的塑性鉸區螺旋箍筋間距，更利于對工程質量的把控。

3）對于同樣的樁柱直徑組合，墩高越小，塑性鉸區螺旋箍筋間距越小，抗震分析中需要重點關注矮墩。