7度地震区双柱墩连续梁桥的抗震设计研究

贾奋宗

（中铁上海设计院集团有限公司，上海市 200070）

7度地震区双柱墩连续梁桥的抗震设计研究

贾奋宗

（中铁上海设计院集团有限公司，上海市 200070）

随着经济社会的快速发展，抗震设计得到了桥梁设计工作者的高度重视。依据最新《城市桥梁抗震规范》，以东康快速路—包茂高速全互通立交主线高架桥梁引桥为背景，采用Midas软件对双柱墩连续梁桥进行抗震分析，有关经验可供相关专业人员参考。

双柱墩；抗震设计；城市桥梁

0　引言

随着经济社会快速发展，交通量大量增加，桥梁横向尺寸随之增大，双柱墩的运用日益广泛。而双柱墩的抗震性能较单柱墩更复杂，袁万城等［1］通过对单柱墩和双柱墩在线性范围内进行动力时程分析来探讨两种结构的抗震性能。从桥墩抗震延性概念设计的角度，地震作用下，双柱墩桥梁的耗能部位：顺桥向位于墩底，横桥向位于横向连接处、墩顶和墩底。由于双柱墩横向受力分析的需要，需专门建立横向计算模型。

1　工程概况

包茂高速立交桥梁位于内蒙古鄂尔多斯市，包茂高速立交桥梁包括上跨包茂高速的东康快速主线高架、SE匝道桥、SW匝道桥、NE匝道桥、WS匝道桥和EN匝道桥，本文结合主线高架桥梁引桥进行抗震分析，其结构形式均采用连续梁，高度2 m。上部预应力混凝土箱梁采用C50混凝土，见图1。下部桥墩、承台及桩基础均采用C35混凝土，见图2。

图1　上部结构典型横断面（单位：cm）

图2　典型桥墩横断面（单位：cm）

由于本工程桥跨较多，且结构形式相似，故抗震计算仅选取有代表性的XPU04～XPU07联进行计算，其中XPU04为30 m+33 m+33 m+30 m标准段（桥梁宽度为20.2 m）箱梁，XPU05为3×35 m（桥梁宽度为23.7～29.4 m）箱梁，XPU06为4×35 m（桥梁宽度为23.7 m）箱梁，XPU07为3×35 m（桥梁宽度为23.7 m）箱梁，墩高从16.705～8.498 m变化。由《城市桥梁抗震规范》6.1.2知本桥属规则桥梁。

2　抗震设防标准、抗震设计方法和地震动输入

2.1抗震设防标准

抗震设防烈度：按地震烈度7度设防，水平向设计基本地震动加速度峰值0.1 g；根据《城市桥梁抗震设计规范》CJJ 166-2011，本工程桥梁抗震设防分类为乙类，在E1地震作用下，地震调整系数Ci=0.61；在E2地震作用下，地震调整系数Ci=2.2。

根据规范，本工程桥梁的抗震设防标准为：

（1）在E1地震作用下，结构总体反应在弹性范围，基本无损伤，震后可立即使用。

（2）在E2地震作用下，结构可发生有限损伤，经抢修可恢复使用，永久性修复后恢复正常运营。

2.2抗震设计方法和桥梁抗震体系

根据规范，本工程桥梁抗震设计方法为A类：应进行E1和E2地震作用下的抗震分析和抗震验算，并满足桥梁抗震体系以及相关构造和抗震措施的要求。

本工程桥梁抗震体系采用类型Ⅰ：地震作用下，桥梁的塑性变形、耗能部位位于桥墩——顺桥向位于墩底，横桥向位于系梁、墩顶和墩底；基础、支座和墩柱的抗剪按照能力保护原则来设计。

2.3地震动输入-设计反应谱

根据岩土工程勘察基础资料，本工程场地分区特征周期0.45 s，地震动加速度为0.1 g。结构阻尼比取0.05。根据规范，本工程桥梁水平向反应谱见图3。

图3　水平向反应谱

3　动力分析模型与动力特性分析

考虑土-下部结构-上部结构的共同协同工作抵抗纵、横桥向地震作用。利用“m”法计算基础刚度，考虑基础对桥梁地震效应的影响；采用抗震型盆式橡胶支座，根据规范及厂家提供的产品参数确定支座刚度；考虑相邻联桥梁重量的影响。

3.1计算模型

桥梁动力计算模型见图4。

图4　动力计算模型

考虑到本桥桥墩为双柱式桥墩，由框架墩横向受力分析的需要，特建立横向计算模型见图5。

3.2动力特性

分析和认识桥梁的动力特性是进行抗震性能分析的基础。表1给出了桥梁前8阶自由振动的周期。

图5　框架墩横向计算模型

表1　前8阶振型

4　桥梁地震反应谱分析

采用E1和E2两种概率水平、阻尼比为5%的设计反应谱对该桥进行抗震性能分析。E1水准下采用毛截面刚度；E2水准下延性构件采用折减刚度，其他构件采用毛截面刚度。

4.1墩底截面承载能力验算

按照压弯构件计算边墩和中墩底截面的承载能力，见表2。

表2　墩底截面承载能力验算

从表2可见，E1地震作用下，桥墩处于弹性范围内。E2地震作用下，制动墩纵向以及各墩横向已进入塑性。

4.2斜截面抗剪强度验算

将永久作用和地震作用进行最不利组合，根据现行规范进行M-分析，计算桥梁各个控制截面的抗弯能力，从而得到墩柱的剪力设计值。

延性双柱墩柱沿顺桥向剪力设计值按式（1）计算：

延性双柱墩柱沿横桥向剪力设计值按式（2）计算：

墩柱抗剪按照能力保护构件设计，按照《城市桥梁抗震设计规范》7.4，运用MathCAD自编程序验算，各墩柱斜截面抗剪强度均满足要求，见表3。

表3　塑性铰区域（含潜在）斜截面抗剪强度验算　kN

4.3墩柱变形验算

图6、图7分别为E2地震下纵向最大平动位移图和横向最大平动位移图。

图6　纵向最大平动位移（单位：m）

图7　横向最大平动位移（单位：m）

E2地震下，纵向容许位移根据规范《城市桥梁抗震设计规范》CJJ 166-2011式7.3.4得

X向位移容许值为：

横向容许位移根据规范《城市桥梁抗震设计规范》CJJ 166-2011 7.3.7，在墩柱处顶部施加水平力F，进行非线性静力分析，当墩柱的任一塑性铰达到其最大容许转角或塑性铰区控制截面达到其最大容许曲率时，柱顶处的横向水平位移即为容许位移。由MIDAS/Civil V7.8.0版有限元计算分析程序建立横向受力模型，运用pushover工具，主要步骤为：

（1）通过迭代计算得到墩底（顶）处于塑性屈服状态时的轴力，由M-分析求出极限破坏状态的曲率，除以安全系数2得到最大容许曲率；

（2）通过pushover工具得到塑性铰达到最大容许曲率时的步数，再由该步数得到对应屈服状态墩顶的横向位移。

分析得：横向容许位移△u=6.2 cm＞4.4 cm。

主墩变形验算结论见表4。

表4　塑性铰区域（含潜在）容许变形验算m

4.4支座水平力及水平位移验算

主墩、边墩支座均选择抗震型盆式支座，其水平承载力不小于竖向承载力的26%。对于纵横向，计算各墩最不利剪力设计值，如对于P23墩（固定墩）根据计算结果最终选用的支座规格为17.5 MN，20 cm档，见表5。

表5　盆式支座水平力及水平位移验算　kN·m

根据规范，在进行支座抗震验算时，应计入50%均匀温度作用效应。本桥设计均匀升降温均为30℃，50%均匀温差引起的主墩支座反力和变形都很小，与地震作用叠加后，所选支座抗剪承载力满足要求，容许位移均满足要求。

同时该桥应在每个墩顶设置抗震挡块，防止落梁。

5　墩柱构造措施

根据《城市桥梁抗震设计规范》第8章的规定，本工程桥梁延性构造措施如下：

（1）墩柱上弯矩超过最大弯矩80%范围内，箍筋采用加密布置，间距为100 mm；

（2）墩身箍筋采用直径等于16 mm的HRB400级钢筋；

（3）墩身纵向钢筋对称布置，纵向钢筋的面积均大于0.006Ah，且不超过0.04Ah，其中Ah为墩柱截面面积；

（4）螺旋式箍筋的接头采用对接，矩形箍筋应有135°弯勾，并伸入核心混凝土之内6ds以上；

（5）墩柱纵向钢筋伸至承台的另一侧面，纵向钢筋的锚固和搭接长度应在现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62）要求的基础上增加10ds，ds为纵向钢筋直径，不应在塑性铰区域进行纵向钢筋的连接；

（6）塑性铰加密区域配置的箍筋深入到承台1.0 m。

6　结语

大量震害资料表明，下部结构及基础的破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因。桥梁墩台和基础的震害主要是由于受到较大的水平地震力，瞬时反振动在相对薄弱的截面产生破坏而引起的。一般比较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩，多为剪切破坏。由于弯曲破坏属延性破坏，剪切破坏属脆性破坏，抗震延性设计强调“强剪弱弯”，应避免脆性破坏。

最新版《城市桥梁抗震设计规范》关于计算分析方面的内容介绍较少，设计人员需准确理解新规范的概念规定，并将其运用到实际的桥梁设计中，指导桥梁设计。特对本次抗震设计总结如下：

（1）可通过合理的构造设计提高墩柱潜在塑性铰区的延性性能，如：合理设置约束箍筋的数量、间距及直径，及箍筋的端部应做135°弯钩并伸入核心混凝土中。

（2）抗震设计中，可通过提高墩柱的横向钢筋配置提高构件的抗剪能力，使弯曲破坏先于剪切破坏。

（3）对于双柱墩，可通过合理的节点配筋避免墩柱节点的剪切破坏。

［1］袁万城，胡勃，范立础.柱式桥墩横向抗震性能评价［J］.同济大学学报：自然科学版，1996，21（6）:601.

［2］CJJ 166-2011，城市桥梁抗震设计规范［S］.

［3］JTG/T B02-01-2008，公路桥梁抗震设计细则［S］.

［4］范立础.桥梁抗震［M］.上海:同济大学出版社，1997.

［5］叶爱君，管仲国.桥梁抗震［M］.北京:人民交通出版社，2011.

U442.5+5

B

1009-7716（2016）06-0132-04

2016-02-23

贾奋宗（1983-），女，内蒙古五原人，工程师，从事桥梁设计工作。