邊坡處柔性橋墩抗震簡化設計方法研究

蔡 煜呂 哲

（1.中國路橋工程有限責任公司，中國 北京100011；2.上海市政交通設計研究院有限公司，中國 上海200030）

0 引言

橋梁結構的地震破壞除了造成結構本身的直接損失，當橋位設置在主干道上，還會阻礙救援和物資人員的運送。我國是地震多發國家，2008年發生的汶川地震造成了大量的傷亡，破壞原因大多是設防烈度低于實際烈度[1~4]，但地震的復雜性導致計算的精確很難控制[5]，首先需要對在建場地中的結構體系進行明確的概念分析，然后結合結構的設計進行薄弱抗震部位的驗算，最終保證通過配筋和構造驗算保證結構的抗震性能。對于結構簡單的規則橋梁，采用有效簡便的理論進行分析可以為初步設計提供依據。

1 規則橋梁的簡化抗震設計理論

目前規范中主要推薦的分析方法為反應譜法、時程分析法和功率譜法，其中反應譜法是根據結構的彈性反應結果建立的一種簡化計算方法，對于規則橋梁有很好的適用性，而且在計算中應考慮上部結構、支座、橋墩以及基礎等影響[6]。

全聯均采用板式橡膠支座的連續梁橋或橋面連續、順橋向具有足夠強度的抗震連接措施（即順橋向連接措施強度大于支座抗剪極限強度）的簡支梁，其水平地震力可按下述簡化方法計算：

1）上部結構對板式相交支座頂面處產生的水平地震力

Eihs——上部結構對第i號墩板式橡膠支座頂面處產生的水平地震力（kN）；

ns——第i號墩頂板式橡膠支座數量；

Gd——板式橡膠支座的剪切模量，一般取值1200kN/m2；

Ar——板式橡膠支座面積（m2）；

Σt——板式橡膠支座橡膠總厚度（m）；

n——相應于一聯上部結構的橋墩個數；

kip——第i號橋墩墩頂抗推剛度；

Gsp——一聯上部結構的總重量（kN）；

Sh1——相應水平方向加速度反應譜值。

2）墩身水平地震力

柱式墩由墩身自重在板式橡膠支座頂面產生的水平地震力

Gtp——橋墩對板式橡膠支座頂面處的換算質點重力（kN）。

Gcp——蓋梁的重量；

Gp——橋墩的重量；

η——墩身重力換算系數：

Xf——考慮地基變形時，順橋向作用于支座頂面或橫橋向作用于上部結構質量重心上的單位水平力在一般沖刷線或基礎頂面引起的水平位移與支座頂面或上部結構質量重心處的水平位移之比。

將上部結構的地震力Eihs和墩身的水平地震力Eihp施加到橋墩上，即可得到墩底位置處的內力。以上是簡化算法的計算過程，下面通過一個實際工程算例進行應用。

2 計算算例

某高速公路工程結構為簡支組合梁橋，單孔標準跨徑為20m，橋寬19.5m，三跨一聯，采用橋面連續的鋪裝。該工程跨越地形為寬523.5m的溝谷地形，靠近邊坡的位置橋墩高度變化明顯，導致橋墩縱向抗推剛度變化較大，下部結構的抗震性能需要進行分析，如下圖所示。本工程中采用橡膠支座型號為GJZ400×400×69，橡膠層厚度為49mm，計算得剪切剛度為3918kN/m。

圖1 簡支組合梁橋立面布置圖

一聯跨總共有四個橋墩，從左到右依次編號為1、2、3和4號墩。上部結構分配到橋墩頂部的重量為681.7t，蓋梁的重量為135.4t。橋墩的截面為1.7×1.7m，墩身高度依次為18.9m、16.6m、10.1m和6.1m。支座剪切剛度為3918.4kN/m。為了得到更精確的自振頻率，采用有限元模型計算得到該結構的基頻為0.79。根據公路橋梁抗震設計細則中5.2.1和5.2.2條的規定[6]，得到水平方向的加速度反應譜值為0.086。將這些參數代入上面的計算過程中可以得到墩底的彎矩值如下表所示：

表1 E1地震力作用下墩底矩值

3 結論

本文針對某橋梁工程中邊坡處墩高變化相對較大的一聯跨徑，基于彈性理論進行了反應譜法的抗震分析，通過采用簡化的計算方法，可不需要建立有限元模型，通過手算得到墩底的彎矩值。通過與有限元計算結果對比可以得到如下結論：

（1）有限元計算結果較簡化計算方法偏大，這可能是由于支座采用彈簧單元模擬并沒有完全反應支座的水平抗剪性能，該簡化計算方法相比有限元計算結果偏于不安全，但仍可以作為校核計算方法采用。

（2）支座的抗剪剛度kr起到了降低橋墩組合抗推剛度ktp間差距的作用，使水平力分配大小不至于懸殊。工程上的意義是需要對橡膠支座定期檢查更換，確保橡膠支座的水平抗剪變形作用，否則矮墩的組合抗推剛度會增大，分配到矮墩的地震力會相應增大。

（3）本算例中最不利橋墩為最高的橋墩。

［1］王克海.橋梁抗震研究[M].北京:中國鐵道出版社,2007.

［2］鄧小偉.基于兩水平設防的連續梁抗震性能分析[J].石家莊鐵道大學學報,2012,25(4):39-42.

［3］張永亮,徐家林.京滬高速鐵路滄德特大橋地震反應分析[J].世界橋梁,2013,41(6):43-47.

［4］貢金鑫,王雪婷.從汶川地震災害看現行國內外橋梁抗震設計方法[J].大連理工學報,2009,49(5):739-747.

［5］葉愛君.大跨度橋梁抗震設計實用方法[J].土木工程學報,2001.2,34(1):1-5.

［6］公路橋梁抗震設計細則(B0001-JTG∕TB02-01-2008)[S].北京:人民交通出版社,2008.