立交匝道橋地震響應及合理抗震體系研究

張菊輝，管仲國

(1.上海理工大學 環境與建筑學院，上海 200093;2.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092)

組建縱、橫、環向交錯的高架快速交通網絡是現代大型城市緩解交通壓力的有效途徑，為了實現不同高架干線之間，以及高架線路與地面道路之間的互通，各種立交匝道必不可少。受城市用地以及周邊環境的限制，立交匝道橋一般具有小曲率半徑、大縱坡等特點。這使得匝道橋在平面和立面布置上，都有很強的非規則性［1］。因此，在地震作用下，往往容易遭到損壞。美國SR14/I5立交樞紐在1971年的San Fernando地震和1994年的Northridge地震中均發生落梁破壞，并切斷下行線路交通［2－3］;2008 年，汶川地震中，百花大橋、回瀾立交匝道橋2座小半徑曲線梁橋也發生了垮塌、嚴重阻礙了震后的救災進程［4－5］。由此可見，確保立交匝道橋的抗震安全性對于提高整個城市主要交通網絡的災后可通行能力具有非常重要的意義。

迄今為止，已有部分學者進行了有關匝道的抗震研究及結構性能評估。Zureik等［6］總結了平面曲線布置對I型鋼梁橋抗震性能的影響;畢桂平等［7］就大型復雜立交工程中匝道橋的合理抗震分析模型進行了探討;張永亮等［1］針對一座實際匝道橋工程，基于新規范體系進行了兩級設防地震下的結構抗震性能評估;王東升等［5］總結了汶川地震橋梁震害經驗，指出了曲線橋中的矮墩因地震慣性力較大，極易發生彎剪等低延性破壞;管仲國等［8］針對某城市平行匝道橋，分別采用延性抗震體系和減、隔震體系進行設計，指出采用減、隔震體系可使結構具有更優的抗震性能。

本文在上述研究的基礎上，以上海嘉閔高架橋工程為依托，系統分析了曲率半徑、地震輸入方向對結構地震響應的影響，并基于新規范體系［9］，總結了立交匝道橋在兩級設防地震下的結構性能一般規律表現，在此基礎上，進一步探討了結構抗震體系的設計策略。

1 橋梁概況與結構建模

以上海嘉閔高架橋建設工程為依托，選取典型互通立交匝道橋。跨徑布置為2×30+3×30+3×30 m連續梁;橋面縱坡6%。上部結構為預制小箱梁，橋寬8.5 m(圖1);下部結構為1.5 m×2 m的矩形截面獨柱墩，倒T形蓋梁，基礎為樁基，樁徑0.8 m，樁長40 m。場地類別為四類軟土場地，整體穩定性較好，可不考慮軟土震陷影響。地震設防烈度7度，設計基本加速度為0.1 g，場地系數 1.4，特征周期 0.65 s。E1、E2 兩級地震下的結構抗震重要性系數分別為0.5和1.7，圖2為兩級水平地震動反應譜。根據連續梁橋的特點，建立結構三維有限元動力分析模型。主梁、蓋梁、墩均采用空間梁單元模擬，二期恒載模擬為附加分布質量，承臺模擬為質點，樁基采用等效土彈簧模擬樁土相互作用［10］。為分析平面曲線布置對結構地震響應的影響［11］，本文分別構建了曲率半徑為 50 m、100 m、150 m、200 m、250 m以及∞(直線橋)六種模型，圖3所示為曲率半徑50 m的有限元模型示意，起始處1#為橋臺，2#～9#墩柱高度范圍為 2.8 ～15.4 m，且 9#墩與主線相連。此外，為考慮地震輸入方向的影響，按30°級差，進行了12個輸入方向下的地震響應分析。

2 匝道橋地震響應分析

圖1 匝道橋橋梁結構示意Fig.1 Structure oframp bridge

圖2 設計反應譜Fig.2 Design spectrum

圖3 匝道橋的有限元模型(曲率半徑R=50 m)Fig.3 Finiteelement model of ramp bridge(curve radius R=50 m)

首先，采用彈性反應譜分析方法，分析曲率半徑和地震輸入方向對結構彈性地震響應的影響，進而基于兩級設防水準下的關鍵截面能力需求比分析，判別結構在E1、E2兩級設防地震下的性能狀態。

2.1 曲率半徑的影響

圖4所示為各橋墩在不同曲率半徑下的各墩最大彈性地震響應。從圖中可以看出，切向上的地震響應主要表現在固定墩上，最低墩的水平剪力最大。而墩底彎矩先隨墩高的增加而增加，但達到一定幅度時即趨于穩定;在法向上，由于各墩均為固定約束，各墩地震響應的連續性相對較好，最大剪力響應發生在矮墩區，最大彎矩響應則在高墩區，此外，過渡墩處的響應一般比連續墩處的更大。考慮不同曲率半徑的影響，50 m半徑工況墩底切向彎矩比直橋低約15.6%，其余工況則相差不超過5%;在法線方向上，50 m半徑工況與直橋相比，墩底剪力最大相差達46.42%(5#墩)，墩底彎矩最大相差達－17.96%(3#墩)，而當曲率半徑達到150 m，墩底剪力和墩底彎矩最大相差均不超過10%。

由此可見，對于曲率半徑較大的匝道橋，可直接采用直線橋的分析結果。目前，我國《公路橋梁抗震設計細則》［9］和《城市橋梁抗震設計規范》［12］均規定曲率半徑大于20倍橋寬的橋可視為規則橋梁。對于匝道橋，既有平面曲線布置的影響，同時也有大縱坡帶來的墩高差異，因此并不能簡化為規則橋，但從本文的分析結果上看，當滿足曲率半徑大于20倍橋寬時，可簡化為直線橋進行分析。

圖4 不同曲率半徑下的墩底最大地震響應(E1地震作用)Fig.4 Maximum seismic response at the pier bottom under different curve radii(E1 earthquake)

2.2 地震動輸入方向影響分析

圖5、6所示分別為不同地震激勵方向下的各墩位的切向墩底彎矩、法向墩底彎矩響應，其中水平軸為地震激勵方向與各墩切線方向的夾角。從圖中可以看出，不同的地震動輸入方向對墩底彎矩影響顯著。在小曲線半徑條件下(R=50 m)，對應橋墩切向最大彎矩，最不利輸入方向與橋墩切向的最大偏角約為21°，按切向輸入所得的彎矩響應與最不利彎矩低約7.2%，而對應法向最大彎矩，最不利輸入方向與橋墩法向的最大偏角可達31.2°，按法向輸入所得的彎矩響應與最不利彎矩低約18.4%。而當曲率半徑較大(R=250 m)時，無論是切向還是法向，墩底彎矩與輸入角度之間的對應關系均符合較好(圖5(b)和圖6(b))。由此可見，小曲率半徑匝道橋的地震響應較為復雜，即使按墩柱切向、法向方向的地震輸入仍可能低估其地震響應。

圖5 不同地震激勵方向下的各墩墩底切向彎矩(E1地震作用)Fig.5 Tangential moment at the pier bottom Vs different earthquake input directions(E1 earthquake)

圖6 不同地震激勵方向下的各墩墩底法向彎矩(E1地震作用)Fig.6 Normal Moment at the pier bottom Vs different earthquake input directions(E1 earthquake)

2.3 兩水準設防下的結構性能狀態

圖7 各計算工況下的墩柱抗彎能力需求比Fig.7 Capacity/demand ratio of pier columns under different curve radii

圖7給出了各工況下墩柱墩底截面在E1、E2兩級地震作用下的抗彎能力需求比。其中，墩柱縱筋配筋率為1.25%，箍筋體積配箍率4‰，橋墩抗彎能力采用截面等效屈服彎矩。從圖中可以看出，在E1地震作用下，各墩柱無論在切向還是法向上，其抗彎能力需求比均超過1.5，表明各墩柱均將處于彈性工作狀態，且有一定的安全度。而在E2地震作用下，各聯固定墩切向彎矩，以及高墩區墩柱的法向彎矩，能力需求比均小于1，表明這些墩柱在E2地震作用下將進入塑性狀態。其中2#墩由于墩身高寬比僅為1.87，參照美國Caltrans規范［13］進行驗算，結果表明剪切破壞將先于彎曲破壞，因此難以利用墩柱延性進行抗震。

由此可見，匝道橋較容易滿足E1地震下的強度要求，但在E2地震作用下，順橋向制動墩以及高墩區在橫橋向均易進入屈服，其中較矮的制動墩還較易產生彎剪或者剪切破壞。

3 結構抗震體系設計策略

前述分析表明，立交匝道橋結構平面、立面布置均較為復雜，不同墩高處的結構抗震性能差異較大。延性抗震體系和減、隔震體系是兩種基本的結構抗震體系，為優化匝道橋結構抗震體系設計，本文選取曲率半徑R=∞時的直線匝道橋模型，分別按延性抗震體系和減、隔震體系進行設計。其中延性設計體系采用普通盆式支座，主從約束模擬;減、隔震體系采用鉛芯橡膠支座J4Q520×520，雙線性本構關系模擬［14］。地震輸入為3條根據目標譜擬合的人工波，分析方法為非線性時程分析。

3.1 延性抗震體系

根據前述分析，延性抗震體系中，在E2地震作用下，2#、5#、8#固定墩在縱向地震輸入下，以及 6# ～8#墩在橫向地震輸入下，將進入塑性狀態。選擇各墩潛在塑性鉸部位為墩底，設置墩底集中塑性鉸單元，采用非線性時程分析方法，進一步對墩身延性能力進行檢算。結果顯示:除2#墩(剪切破壞)以外，其余墩位處的位移延性能力/需求均大于1.3，滿足性能目標要求。

圖8 樁基布置方案(單位:mm)Fig.8 Pile layouts(unit:mm)

延性體系的基礎部分按能力保護原則進行設計，即對未進入延性的墩柱，基礎受力直接采用彈性地震響應結果，已進入延性狀態的墩柱，基礎受力考慮1.2的超強系數，按能力保護原則進行確定［15］，結果見表1。其中，基礎布置方案考慮兩種，如圖8所示，其中5根樁是常規荷載所必需的樁數，延性設計中單樁的配筋率為2%。可以看出，5根樁無法滿足基礎的強度需求，6根樁布置僅可滿足4#～8#的基礎強度需求，2#～3#墩則無法滿足。由此可見，矮墩區不宜采用延性抗震體系。

表1 延性抗震體系下的單樁能力需求比Tab.1 Pile C/R ratios for ductile system under E2 earthquake

3.2 減隔震體系

減隔震設計中，除減隔震支座以外，主體結構各部分均應保持彈性［8，16］。鉛芯橡膠支座 J4Q520×520的本構關系按雙線性考慮，具體性能參數如表2所示。采用非線性時程分析方法對減隔震體系的地震響應進行分析。按前述配筋方案，對各墩底關鍵截面的抗彎承載力進行驗算，結果如圖9所示。可以看出，矮墩區的墩柱能力可以得到很好地滿足，其中2#墩柱的抗剪承載力也可滿足。但在高墩區，各墩抗彎承載力能力需求比接近于1，仍存在結構進入塑性狀態的較大風險。

表2 鉛芯橡膠支座基本參數Tab.2 Mechanical properties of LRBs

單樁強度的檢算如表3所示，可以看出，樁數較少的5根樁方案，可以滿足2#～6#墩位的基礎強度檢算，7#～8#墩位則需要采用6根樁方案。此外，所有減隔震支座的側向地震位移均不超過±100mm(表4)。J4Q520×520鉛芯橡膠減隔震支座，橡膠層總厚度為66mm，支座極限變形可達±165mm(按250%極限剪應變計)，可滿足變形驗算要求。由此可見，減隔震體系更適宜用于矮墩區。

圖9 減隔震抗震體系墩底地震響應Fig.9 Seismic response at the pier bottom under the isolated seismic resistant system

表3 減隔震體系下的單樁能力需求比Tab.3 C/R ratios of the piles for isolated seismic resisting system under E2 earthquake

表4 支座位移(減、隔震設計)Tab.4 Bearing displacement(isolated seismic resisting design)

3.3 抗震設計方案優選

通過以上兩種抗震體系對比，可以看出使用任何一種單一的抗震體系都不能很好地滿足預期的性能要求。相反，在矮墩區選用減隔震體系、而在高墩區選用延性抗震體系，則可較好地融合兩種體系的優點，既可避免矮墩的剪切脆性破壞和基礎內力需求過大的問題，又可以充分發揮柔性高墩的延性潛力。事實上，匝道橋由于一條線上的墩高差異較大，不同的墩高對結構的動力特性有直接地影響，因此簡單按一種體系顯然并不合適。為此，建議按不同的墩高采用不同的抗震體系，具體如表5所示。

表5 抗震體系建議方案Tab.5 Proposed seismic resistant system

4 結論

本文以上海嘉閔高架某一主線立交匝道為研究對象，分析了不同曲率半徑、地震動輸入方向對立交匝道橋地震響應的影響，指出小曲率半徑下的匝道橋地震響應較為復雜，地震最不利輸入方向與墩柱切線、法線方向仍存在20°～30°的偏差，墩底彎矩偏低約10% ～20%;大曲率半徑下的匝道橋地震響應與直橋基本一致，可簡化為直線橋進行抗震分析。并基于新規范體系，評估了立交匝道橋在兩級地震作用下的性能，指出匝道橋較容易滿足E1地震下的強度要求，在E2地震下，順橋向固定墩以及橫橋向高墩均會進入屈服，其中矮墩固定墩較容易發生剪切破壞。在此基礎上，針對直線匝道橋模型，分別采用延性抗震體系與減、隔震體系進行抗震設計優化，并評估其適用性，指出單獨采用任何一種抗震體系都難以滿足結構性能要求，建議高墩區采用延性抗震體系，矮墩區采用減隔震體系。

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