淺析橋梁墩柱抗震設計

徐 輝

(中國市政工程華北設計研究總院)

淺析橋梁墩柱抗震設計

徐 輝

(中國市政工程華北設計研究總院)

根據《城市橋梁抗震設計規范》CJJ 166-2011以及《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02-01-2008，橋梁抗震耗能體系總體上分為兩種類型。類型一實質上是延性抗震設計即地震作用時，利用橋墩墩柱發生塑性變形耗能;類型二實際上是減隔震設計，地震作用下利用隔震設施耗散地震能量。通過分析不同高厚比的橋墩在地震作用下的響應，確定合理經濟的抗震耗能體系。

抗震耗能體系;設計優化;MIDAS

0 前言

城市橋梁型式包括各種類型的直線梁橋以及曲線梁橋，其下部結構樣式包括從英文字母A～Z中凡是對稱的字母或是其變形體等。隨著技術的不斷進步，橋墩形式更傾向于經濟合理以及輕盈美觀。國內城市橋墩樣式通常有圓柱形、方形以及花瓶墩等。針對橋梁墩柱抗震耗能設計，抗震規范提供了兩種設計理念:一種為塑性強化設計理念，也就是能力保護設計理念，這一理念是新西蘭學者ParK等在20世紀70年代中期提出的，并最早在新西蘭混凝土設計規范中得到應用。后這一原則先后被美國、歐洲以及日本等國采用。另一種方法是依靠減隔震體系進行耗能，常用方法為減隔震支座，依靠支座變形耗散地震能量，下部結構按彈性理論進行設計。各種墩柱類型在不同的抗震體系中對結構抗震貢獻是不同的，采用減隔震支座后，墩柱在抗震中主要提供強度，而采用能力保護設計理念設計的橋梁，墩柱除了提供強度外，剛度對最終的抗震力計算占主導地位。

本文利用MIDAS軟件對不同高厚比的墩柱結構體系進行研究，按照不同設計理念進行設計，并對不同形式墩柱樣式進行設計優化，以期找到適合城市橋梁下部墩柱抗震設計經濟合理的設計方法。

1 高厚比較小的墩柱

高厚比較小的橋梁在城市橋梁中運用較多，如花瓶墩等，此類別墩柱由于剛度較大，地震作用下，此類型墩柱不宜發生延性破壞即不宜出現塑性鉸，很難實現能力保護設計理念。工程設計中只能依靠剛度對剛度的方法進行剛性抗震設計，無法實現抗震設計中延性設計理念。對于低度抗震設防區域，采用剛性設計理念，配置適當的鋼筋防止其剪切破壞即可，但對于高度抗震設防區域，采用剛性設計理念 ，則相對浪費材料。本文以常用的3×30 m現澆箱梁為例，橋梁寬度為16.5 m，單箱四室結構，橋墩采用常用的柱式墩，墩柱高度選用3m，墩子截面選用常用的1.5 m×1.5 m截面，支座選用盆式支座。計算簡圖如下:

計算采用反應譜計算，橋梁類別選用C類別，抗震設防烈度選用7、8、9三個級別的地震反應譜，具體參數選取如表1所示。

計算結果如表2。

從表2中可以看出，在低度地震作用下，結構采用剛性設計相對于非抗震設計不會浪費太多材料，但是對于抗震設防高度區，特別是在9度地震作用下，如果按照剛性設計橋墩，則抗剪截面都無法滿足，并且相應的彎矩很大。這種情況下如果嚴格按照規范要求進行剛性設計，則會帶來材料的很大浪費。此時如果考慮采用減隔震設計則是個不錯的選擇，本文采用常用的鉛芯減隔震支座進行設計，得到結果如下:

表1 反應譜參數選取表

表2 制動墩地震作用效應

表3 減隔震支座效應

從表1和表2的對比可知，對于高厚比相對較小的墩柱來說，采用減隔震支座可以有效降低地震作用效應。從經濟上考慮，墩柱配筋和正常使用狀態配筋幾乎一樣，唯一差別在于支座的費用上，從目前市場行情來看采用減隔震支座對高厚比相對較小的墩柱是合適的。另外，我們僅僅關注墩柱部分的彎矩以及剪力相對于減隔震支座得到效益而忽略了樁基礎以及承臺等由于減隔震設計得到的效益。綜上訴述，對于高震區高厚比相對較小的墩柱來說，采用減隔震設計是合適的。

2 高厚比相對較大的墩柱

2.1 墩頂位移計算

針對工程中經常用到的相對較高的墩子，規范建議采用延性設計理念進行設計。本文采用高厚比為10倍墩寬的墩柱即墩高為15 m的墩柱進行抗震驗算，計算模型同圖一，唯一的區別為墩子相對較高。墩子周邊按照常用配筋配置間距為10 cm直徑為32的HRB335鋼筋，共配置了64根鋼筋。為對比性，本文針對此類別的墩柱只考慮9度抗震設防烈度的地震作用效應，不考慮其余烈度作用下的地震作用效應。模型采用MIDAS提供的纖維單元模擬塑性鉸特性，其中鋼筋采用Menegotto-pinto模型，混凝土采用Kent-park模型，經過計算得到墩頂位移為18 cm。

2.2 墩頂允許位移計算

根據《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02-01-2008規定，在最不利軸力8 000 kN的作用下，此墩子的理想彈塑性軸力-彎矩-曲率曲線如圖2所示。

圖1 理想彈塑性軸力-彎矩-曲率

由圖1可得此截面的基本參數如表4所示:

由于是規則橋梁，根據《公路橋梁抗震設計細則》JTG/T B02-01-2008中7.4.7條公式以及公式 7.4.3.1 ～3 得到墩頂允許位移為31.6 cm。顯然墩頂位移在允許范圍內。

表4 截面理想彈塑性軸力-彎矩-曲率參數

通過計算可知，對于高厚比的墩柱，即使在9度抗震設防區依然可以通過墩底部的延性保護設計達到抗震耗能的目的。

3 結論

(1)對于高厚比較小的墩柱，當其位于低度抗震設防烈度區域時候，建議直接采用剛性設計即可，但當此類別墩柱位于較高抗震烈度設防區域則建議考慮采用減隔震措施進行抗震耗能設計。

(2)對高厚比較大的墩柱，建議采用規范推薦的延性-保護抗震設計理念進行延性設計以及進行能力保護構件設計。

(3)橋梁結構相差千差萬別，上部結構重力以及相對的剛度比等一系列因素都可能成為影響結構抗震耗能體系的因素。故針對不同的橋梁結構，抗震設計時候，進行多方案必選，按照經濟以及能力最優化選擇抗震耗能體系。

［1］中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市橋梁抗震設計規范(CJJ 166-2011)［S］.2012年3月1日實施.

［2］中華人民共和國交通運輸部.公路橋梁抗震設計細則(JTG/T B02-01-2008)［S］.2008年10月1日實施.

［3］彭偉，李建中.減隔震連續梁橋非經典阻尼問題與地震響應簡化分析［J］.振動與沖擊，2009，(1).

［4］吳彬，莊軍生.鉛芯橡膠支座力學性能及其在橋梁工程中減、隔震應用研究［J］.中國鐵道科學，2004，(4).

U442

C

1008-3383(2013)05-0110-02

2013-03-28

徐輝(1981-)，男，工程師，主要從事橋梁結構設計研究。