高墩大跨徑連續剛構橋運營期抗震性能評價

劉國華，梅延坤

（山東高速工程檢測有限公司，山東 濟南 250002）

引言

我國是一個多地震國家，自唐山地震以來，抗震防災工作日益受到重視。地震災害近幾年也在我國西南和西北部頻頻發生，如2008 年汶川地震，2010 年青海玉樹縣地震，2021 年青海果洛州瑪多縣地震。據中國地震臺網中心介紹，這標志中國有可能進入新的大陸活動活躍時段。專家預測，我國正面臨一個新的地震活躍期。到目前為止，橋梁工程因地震毀壞并不少見，鑒于橋梁工程在經濟、交通等各方面占據的特殊重要的地位，以及二十世紀出現的幾次慘重的地震災害的教訓，必須進行合理的抗震性能評價［1］。

公路橋梁工程是生命線系統工程中的關鍵節點，在抗震救災中，路網是搶救人民生命財產和盡快恢復生產、重建家園、減輕次生災害的重要環節。近年來，國內外橋梁工程抗震性能評價、加固改造實踐和震害經驗表明，對既有公路高墩大跨徑連續剛構橋進行抗震性能評價，并對不滿足評價要求的橋梁工程采取適當的抗震加固改造對策，是減輕地震損毀的重要途徑。

1 工程概況

某橋橋長420 m，上部結構為75 m +2×135 m+75 m 連續剛構，下部結構為雙薄壁空心墩，最大墩高104 m。平面位于半徑為1 225 m 的圓曲線上，超高橫坡度為2%。地震動峰值加速度為0.1 g，屬于地震設防烈度Ⅷ度區。橋梁布置見圖1。

圖1 橋梁布置/cm

2 設防標準和地震動參數

2.1 設防標準

該橋地震動峰值加速度為0.1 g，屬于地震設防烈度Ⅷ度區，按《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/ T 2231-01—2020）［2］中的規定屬于B 類橋梁，采用E1地震作用（50 a 超越概率10%）和E2 地震作用（50 a超越概率3%）兩種地震動水平進行抗震設防。相應的性能目標：遭受E1 地震作用時，主橋橋墩、過渡墩以及各橋墩樁基礎基本不發生損傷或不需要修復可繼續使用；遭受E2 地震作用時，應保證不致倒塌或產生嚴重結構損傷，經加固修復后仍可繼續使用。

2.2 地震動參數

2.2.1 反應譜

根據橋梁地震安全性評價工作報告，50 a10 %超越概率下水平加速度峰值為79.4 gal，3%超越概率下水平加速度峰值為133.8 gal，豎向加速度峰值乘以相應譜比函數R 可得水平加速度峰值。各參數取值見表1。

表1 50 a 超越概率下各參數取值

地震動輸入分別采取縱向與橫向兩種方式，振型組合采用CQC 法，方向組合采用SRSS 法［3］。E1 地震作用和E2 地震作用下地震設計反應譜曲線見圖2、圖3，用作橋梁兩種超越概率的反應譜分析。

圖2 地震動加速度E1 反應譜曲線

圖3 地震動加速度E2 反應譜曲線

2.2.2 加速度時程曲線

根據橋梁地震安全性評價報告提供的反應譜曲線轉化為E1 地震輸入與E2 地震動輸入情況下的加速度時程曲線，用于本橋非線性時程分析。時程曲線見圖4、圖5。

圖4 E1 時程曲線

圖5 E2 時程曲線

3 空間動力分析模型

采用通用有限元分析軟件CSI Bridge 建立橋梁模型。建模原則：（1）計算模型的梁體和墩柱采用空間梁單元模擬，二期鋪裝采用線荷載和面荷載進行模擬，作用于主梁上、墩柱和梁體的單元劃分反映結構的實際動力特性。（2）混凝土結構的阻尼比取0.05；進行時程分析時，采用瑞利阻尼。（3）支座單元正確反映支座的力學特性。（4）橋梁采用樁柱式基礎，根據橋址區地質分層情況及砂土液化，采用分層土彈簧模型對樁基進行土層作用力模擬，每隔1 m 施加一個土彈簧，土層m 值按照地勘報告中的建議值表取值。橋梁有限元模型見圖6。

圖6 橋梁有限元模型

4 截面驗算原則與方法

4.1 截面驗算原則

在驗算階段，根據主墩、過渡墩、樁基等重要結構的截面詳細配筋圖，需要對關鍵截面、各橋墩墩底及群樁基礎進行驗算。鋼筋混凝土橋墩和樁截面的抗彎能力（強度）采用纖維單元進行彎矩-曲率（考慮相應軸力）分析［4］。

4.2 截面驗算方法

將橋墩和樁基截面劃分為纖維單元，在劃分纖維單元時，混凝土和鋼筋單元分別劃分，鋼筋和混凝土單元分別采用實際的鋼筋和混凝土應力-應變關系。利用實際的鋼筋和混凝土應力-應變關系，采用截面數值積分法進行彎矩-曲率分析（考慮響應軸力），得到彎矩-曲率曲線見圖7。

圖7 等效彎矩的計算

由圖7 可知：（1）地震水平E1 作用下，墩柱截面和樁基截面要求其在地震作用下的截面彎矩應小于截面初始屈服彎矩（考慮軸力）My。由于My為截面最外層鋼筋首次屈服時對應的初始屈服彎矩，因此，當地震反應彎矩小于初始屈服彎矩時，整個截面保持在彈性，結構基本無損傷。（2）地震水平E2 作用下，墩柱截面和樁基截面要求其在地震作用下的截面彎矩應小于截面等效抗彎屈服彎矩Meq（考慮軸力）。實際上，由于地震過程的持續時間比較短，地震后，由于結構自重，地震過程開展的裂縫一般可以閉合，不影響使用，滿足地震水平E2 作用下局部可發生可修復的損傷，地震發生后，基本不影響車輛通行的性能要求［5］。

5 地震作用下結構動力響應及驗算

5.1 E1 地震作用下結構動力響應及驗算

在計算動力特性響應時，該橋考慮沿順橋向和橫橋向兩個水平方向分別與垂直方向進行組合，將時程函數與反應譜函數共同分析，結果取三條時程與反應譜的最大值。由表2 可知，在E1 地震響應下，橋墩仍然處于彈性階段，沒有發生屈服，滿足《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/ T 2231-01—2020）［2］要求。

表2 E1 地震響應下橋墩截面抗彎強度校核（kN·m）

5.2 E2 地震作用下結構動力響應及驗算

5.2.1 E2 地震作用下墩柱檢算

橋墩截面抗彎結果見表3。

表3 E2 地震響應下橋墩截面抗彎強度校核/（kN·m）

根據E1 地震響應下的驗算原則及方法對該橋進行E2 地震響應下的驗算，同樣取反應譜及三條時程作用下最不利情況進行驗算。在E2 地震作用下，大部分墩柱及樁基未達到等效屈服彎矩，滿足《公路橋梁抗震設計規范》（JTG T 2231-01—2020）［2］要求；6#和8#墩頂在E2 順橋向+豎向的地震動輸入中，不滿足強度要求，故對其進行墩頂位移驗算，結果表明其墩頂位移延性系數滿足安全要求。橋墩墩頂位移驗算結果見表4。

表4 E2 地震作用下主墩位移驗算/m

5.2.2 E2 地震作用下支座檢算

不考慮溫度作用帶來的支座位移，橋梁盆式支座在E2 地震作用下位移均小于容許滑動位移，滿足《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/ T 2231-01—2020）［2］要求。在E2 地震作用下，盆式支座固定方向所受的地震力均大于支座水平允許水平力，支座被剪壞。支座橫橋向水平力驗算結果見表5。

表5 支座橫橋向水平力驗算/kN

6 抗震構造措施

6.1 防落梁檢查

根據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG T 2231-01—2020）［5］，梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣應有一定距離，其最小值a 可按a ≥50+0.1 L+0.8 H+0.5 LK計算，且不應小于60 cm，其中L 為一聯上部結構總長度，m；H 為支撐一聯上部結構橋墩的平均高度，橋臺的高度取值為0；LK為一聯上部結構的最大單孔跨徑。經計算，引橋5#和9#墩：a=230 cm ≥207.02 cm。

6.2 延性構件細節設計

根據《公路橋梁抗震設計規范》（JTG/ T 2231-01—2020）［5］對縱向鋼筋最小配筋率進行驗算，1、2#主墩縱筋配筋率為2.08%，滿足要求。

7 結語

（1）E1 地震作用。在縱、橫橋向地震輸入下，所有墩柱截面最不利截面地震彎矩小于其首次屈服彎矩，截面保持彈性工作狀態。主墩能力需求比范圍為1.00～6.79，過渡墩能力需求比為1.55～17.43。（2）E2 地震作用。在縱、橫橋向地震輸入下，除6#和8#墩頂截面外所有墩柱及樁基礎最不利截面地震彎矩小于其等效屈服彎矩，截面未進入塑性狀態。主墩能力需求比范圍為1.04～5.95，過渡墩能力需求比為1.02～13.40。對于6#和8#墩，E2 地震作用下強度驗算雖不滿足要求，但經pushover 分析可得E2 地震作用下，其墩頂位移延性系數均小于規范［2］要求，因此，6#、8#墩頂雖進入塑性，但結構依然安全。（3）E2 地震作用下，5#、9#過渡墩處盆式支座活動方向位移小于容許滑動位移；但固定方向的水平力超過其容許水平力，支座被剪壞，從而喪失其功能，破壞傳力路徑，建議將盆式支座更換為減隔震支座。