橋梁高墩抗震設(shè)計(jì)方法探討

胡春

摘要 為了保證橋梁抗震設(shè)計(jì)水平，文章探討了靜力法、反應(yīng)譜法、動(dòng)態(tài)時(shí)程法等在高墩橋梁地震響應(yīng)分析中的應(yīng)用，從地震波選取、橋墩形式選擇、橫向鋼筋設(shè)計(jì)、縱向鋼筋設(shè)計(jì)、減隔震技術(shù)設(shè)計(jì)等方面分析了高墩橋梁的抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)。同時(shí)，利用有限元軟件建立模型，分析了某高墩橋梁的側(cè)向峰值位移和曲率對(duì)地震力的響應(yīng)，研究成果可為高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞 高墩；橋梁結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；有限元

中圖分類號(hào) U443.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0120-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，越來(lái)越多的公路工程在山區(qū)開工建設(shè)。山區(qū)地勢(shì)起伏大，往往需要設(shè)計(jì)較高的墩柱。橋墩是橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，在地震力作用下，容易出現(xiàn)支座大變形剪切、落梁破壞等病害，導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者利用數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)等措施分析了橋梁墩柱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和地震響應(yīng)規(guī)律，但由于高墩橋梁受力機(jī)理復(fù)雜，仍未形成統(tǒng)一的成果[1]。如何開展橋梁高墩抗震設(shè)計(jì)，提升橋梁在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的安全性，是技術(shù)人員需要解決的重要問題。

1 高墩橋梁地震響應(yīng)分析方法

根據(jù)相關(guān)研究成果，可將橋墩高度大于40 m的橋梁視作高墩橋梁。高墩橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)要對(duì)地震響應(yīng)進(jìn)行分析，目前概率性地震響應(yīng)分析法不成熟，大部分國(guó)家是采用確定性地震響應(yīng)分析方法，比如靜力法、反應(yīng)譜法、動(dòng)態(tài)時(shí)程法等。不同分析方法的適用條件總結(jié)見表1[2]。

1.1 靜力法

靜力法是橋梁結(jié)構(gòu)抗震分析最早使用的方法，它假設(shè)結(jié)構(gòu)是完全剛性的，運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)與地震波相同，此時(shí)作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的慣性力F可用式（1）計(jì)算：

1.2 反應(yīng)譜法

1.3 動(dòng)態(tài)時(shí)程法

對(duì)于重要橋梁結(jié)構(gòu)，一般是先利用反應(yīng)譜分析法開展初步抗震概念性設(shè)計(jì)，再利用時(shí)程分析法評(píng)估結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

動(dòng)力時(shí)程分析法需要先建立橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析模型，將地震波作為激勵(lì)輸入進(jìn)動(dòng)力方程中，并求解動(dòng)力方程得到地震反應(yīng)時(shí)程曲線。需注意，動(dòng)態(tài)時(shí)程法計(jì)算工作量大，人工計(jì)算難度大，一般是利用計(jì)算機(jī)軟件開展分析。

2 高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 抗震設(shè)防目標(biāo)

由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020，簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）可知，高墩橋梁可根據(jù)公路等級(jí)、單跨跨徑等因素劃分為A類、B類、C類、D類，其中A類、B類、C類橋梁需考慮兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防，D類橋梁考慮一水準(zhǔn)抗震設(shè)防，不同橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)如表2所示[4]。

2.2 地震波選取及地震作用組合

2.2.1 地震波選取

高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)的第一步就是要選擇合適的地震波，這樣才能準(zhǔn)確地模擬橋梁所處的實(shí)際環(huán)境。目前，選取地震波的方法有兩種：一是采用擬建場(chǎng)地的實(shí)際地震波。實(shí)際地震波不易獲取，且地震波在時(shí)間上具有較大的隨機(jī)性，在波形和頻率上也有較大的隨機(jī)性，歷史地震波監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能完全代表將來(lái)；二是采用人工合成地震波，即以規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)擬合而成。

2.2.2 地震作用組合

2.3 橋梁墩柱設(shè)計(jì)

2.3.1 橋墩形式選擇

大量工程實(shí)踐表明，高墩橋梁多建設(shè)在山嶺地區(qū)，且以曲線橋?yàn)橹鳎錁蚨招问綍?huì)直接影響橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性。以梁式橋?yàn)槔Ｓ玫臉蚨招问接歇?dú)柱T形墩、空心薄壁墩、門架墩、組合墩等，其中獨(dú)柱墩的最大特點(diǎn)是截面橫向尺寸小；空心薄壁墩的外觀與獨(dú)柱墩相似，但截面橫向尺寸偏大；門架墩（橫向采用系梁連接）的剛度好于獨(dú)柱墩和空心薄壁墩，但其抗扭剛度不大。由于橋墩在地震作用下的變形屬于“彎扭耦合”，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇抗彎剛度和抗扭剛度大的橋墩。

2.3.2 橫向鋼筋設(shè)計(jì)

橫向鋼筋在高墩橋梁中的功能主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：①約束塑性較區(qū)域內(nèi)混凝土，提高其抗壓強(qiáng)度和延性；②提供抗剪能力；③防止縱向鋼筋壓曲。

高墩橋梁墩柱的混凝土保護(hù)層不受橫向鋼筋約束，在地震力影響下容易剝落，無(wú)法為橫向鋼筋提供錨固。因此，箍筋應(yīng)等強(qiáng)度焊接來(lái)閉合，或在端部彎過(guò)縱向鋼筋伸進(jìn)混凝土內(nèi)，伸進(jìn)長(zhǎng)度宜取6倍的箍筋直徑，且不小于10 cm，伸進(jìn)角度不小于135°。

2.3.3 縱向鋼筋設(shè)計(jì)

縱向鋼筋配筋率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)高墩橋梁混凝土墩柱的延性產(chǎn)生影響，從而影響墩柱的地震響應(yīng)。縱向鋼筋配筋率過(guò)低，墩柱的抗壓強(qiáng)度小，在地震作用下容易破壞；反之，不利于高墩橋梁墩柱混凝土的澆筑和振搗，大幅度地提高了墩柱的施工難度。《規(guī)范》建議高墩橋梁墩柱的縱向鋼筋面積應(yīng)控制在0.006Ag～0.04Ag，其中Ag為墩柱截面總面積。同時(shí)，為了確保高墩橋梁墩柱的縱向鋼筋在地震力作用下不出現(xiàn)“黏結(jié)”破壞，縱筋縱向鋼筋宜伸進(jìn)蓋梁頂面和承臺(tái)底面。需注意，縱筋不應(yīng)在塑性鉸區(qū)域進(jìn)行搭接。

2.4 減隔震技術(shù)設(shè)計(jì)

在高墩橋梁抗震設(shè)計(jì)時(shí)，采用減隔震裝置能在滿足正常使用功能的條件下，延長(zhǎng)橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期，增大阻尼，以快速消耗地震能量，減小橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)地震力的響應(yīng)。合理、可靠的減隔震裝置在地震作用下會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，而橋梁的其他構(gòu)件基本處于彈性狀態(tài)。根據(jù)相關(guān)研究成果，并不是所有的高墩橋梁都可以使用減隔震技術(shù)，比如基礎(chǔ)土層不穩(wěn)定、易液化的場(chǎng)地。橋梁結(jié)構(gòu)基本振動(dòng)周期較長(zhǎng)等情況，而在橋墩高差較大時(shí)使用減隔震裝置，效果明顯[6]。

《規(guī)范》將橋梁減隔震裝置劃分為整體型和分離型兩類，前者包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺式減隔震支座等，后者包括橡膠支座+金屬阻尼器或摩擦阻尼器。對(duì)于高墩橋梁，地震力所引起的墩頂加速度和剪切力較大，支座需提供較大的阻尼，鉛芯橡膠支座的適用性強(qiáng)。鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座內(nèi)部插進(jìn)鉛芯棒，以提高橋梁結(jié)構(gòu)阻尼（鉛芯橡膠支座阻尼比在15%～25%，板式橡膠支座阻尼比僅5%左右）。在震級(jí)較小的條件下，鉛芯具有一定的剪切強(qiáng)度和剪切剛度，以抵抗水平剪力。反之，鉛芯屈服，能提供較大的剪切變形積聚能量。地震結(jié)束后，鉛芯力學(xué)性能會(huì)恢復(fù)。

3 基于有限元軟件的高墩橋梁抗震性能分析

3.1 工程概況

該文以某連續(xù)梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，利用有限元軟件建立有限元模型，分析墩間距、墩高差等參數(shù)對(duì)高墩橋梁地震響應(yīng)規(guī)律的影響。該橋梁全長(zhǎng)120 m，跨徑組合為（40+40+40）m，設(shè)計(jì)角度為90°，橋面凈寬34 m，見圖1。

橋梁上部結(jié)構(gòu)使用連續(xù)箱梁，梁高為2.5 m，梁體采用C40混凝土澆筑，混凝土重度取25 kN/m3；下部結(jié)構(gòu)選用雙柱墩，墩高50 m；基礎(chǔ)采用直徑1.5 m的鉆孔灌注樁；支座擬采用板式橡膠支座或鉛芯橡膠支座；橋面鋪裝層厚10 cm，其結(jié)構(gòu)組合為：4 cmAC-13C+6 cmAC-20C+防水層。

3.2 有限元模型構(gòu)建

3.2.1 模型單元

該文選擇梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬連續(xù)梁橋的主梁，高墩橋梁的橋墩及樁基采用實(shí)體單元模擬。

3.2.2 網(wǎng)格劃分

高墩橋梁模型的網(wǎng)格尺寸會(huì)直接影響其抗震計(jì)算的準(zhǔn)確性和計(jì)算速度。一般情況下，網(wǎng)格尺寸越小，高墩橋梁抗震計(jì)算越準(zhǔn)確，但計(jì)算效率低。反之，高墩橋梁的地震響應(yīng)規(guī)律可能無(wú)法反映實(shí)際情況。綜合考慮計(jì)算效率和計(jì)算準(zhǔn)確性，該橋梁的網(wǎng)格采用正六面體單元，網(wǎng)格尺寸取0.3 m，共劃分2 262單元、2 816個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.2.3 荷載大小

高墩橋梁的荷載取恒載+活載，其中恒載包括梁體、橋面鋪裝、防撞欄等自重，將其簡(jiǎn)化成均布荷載；活載中汽車荷載取公路I級(jí)、梯度溫度荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTTGD60—2015）取值。此外，高墩橋梁所承受的地震波采用人工合成波。

3.2.4 支座邊界條件

支座可視作高墩橋梁上、下部結(jié)構(gòu)的作用力傳遞的媒介，必須重視其邊界條件的設(shè)置，主梁與墩柱之間的邊界條件見表3。

3.3 高墩橋梁地震響應(yīng)

該文利用有限元軟件計(jì)算了E2地震作用下，橋墩在5 m、15 m、25 m、35 m、45 m、50 m處的側(cè)向峰值位移和峰值曲率，計(jì)算結(jié)果見圖2。

圖3計(jì)算結(jié)果表明：隨著墩高的增加，墩柱的峰值位移不斷增大。當(dāng)墩高＜5 m，墩柱峰值位移變化不明顯；當(dāng)墩高≥5 m，墩柱峰值位移與墩高基本呈線性正相關(guān)關(guān)系，墩高每增加10 cm，峰值位移平均增加4.6 mm。同時(shí)，墩柱的峰值曲率隨墩高的增加呈“先增大后減小”的趨勢(shì)。墩高為0 m時(shí)，峰值曲率達(dá)到峰值10.3×10?6 m?1；墩高為5 m時(shí)，峰值曲率達(dá)到峰值12.8×10?6 m?1；墩高為50 m時(shí)，峰值曲率值最小，基本接近0。

4 結(jié)論

該文分析了高墩橋梁抗震分析方法和抗震設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并論述了利用有限元軟件計(jì)算高墩在地震力作用下的響應(yīng)規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）高墩橋梁常用的地震響應(yīng)分析方法有靜力法、反應(yīng)譜法、動(dòng)態(tài)時(shí)程法等。

（2）高墩橋梁一般是采用兩級(jí)設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)期間要重視地震波選取、橋墩形式選擇、橫向鋼筋設(shè)計(jì)、縱向鋼筋設(shè)計(jì)、減隔震技術(shù)設(shè)計(jì)等。

（3）墩高會(huì)對(duì)橋梁的地震響應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。隨著墩高的增加，墩側(cè)峰值位移不斷增加，峰值曲率先增大后減小。

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