高烈度區城市高架橋鋼橋墩抗震構造措施研究

曲慧

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

高烈度區城市高架橋鋼橋墩抗震構造措施研究

曲慧

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092）

隨著我國大中城市對基本設施建設的大力發展，越來越多的鋼結構橋梁被更為廣泛應用。但我國公路和城市橋梁抗震設計規范中對鋼橋墩應采用的抗震構造細節設計并未規定。為了使鋼橋墩在高烈度區更為安全的應用，總結過去鋼橋墩發生的震害現象并分析破壞機理。對世界上主流的抗震規范中關于鋼橋墩抗震構造措施的規定進行比較，得出日本抗震規范較為全面的包含了鋼橋墩應采用的抗震構造措施規定。以其為依據，舉例說明其在國內一在建城市高架橋梁鋼橋墩抗震設計上的具體應用細節，為今后同類橋梁抗震設計提供一定的借鑒作用。

門式框架鋼橋墩；震害總結；中外規范比較；抗震構造措施

0 引言

近年來，我國大中型城市基本上都進入以地鐵、輕軌等快速化交通為主的現代公共交通建設階段，這使得城市建設用地顯得更為緊張，在一個共同空間上如何合理的布置地鐵、高架橋梁和地面道路，讓稀缺的城市建設用地被充分合理科學的使用，正成為城市建設的一個關鍵課題。

本文的背景工程位于山西省太原市，項目以地鐵建設為契機，對現狀道路進行快速化改造升級，由于在平面上新建高架橋梁和地面道路中心線與地鐵車站段和盾構段中心線重合，導致高架橋梁與地鐵工程結構物空間上密集重疊，使兩種工程結構物的建設條件均受到很大約束，使結構受力均處于復雜的環境中，對結構設計、施工、建設、管理均提出更高的要求。同時項目所在地區為抗震設防烈度8區，屬于高烈度地區，在高架橋梁建設的空間同一斷面中，地面以下還有地鐵工程結構物，因此為了盡量減輕地上橋梁結構自重和橋梁基礎的規模，加快橋梁建設速度，選擇高架橋梁的上下部結構均為鋼結構，以減少高架橋梁與地鐵結構物之間的相互影響。

由于我國在高烈度區高架橋梁上使用鋼橋墩的工程案例較少，國內規范對于采用鋼橋墩的橋梁抗震設計方法只有指導性的意見，并未涵蓋鋼橋墩應采用的具體抗震構造細節設計方法。而本工程采用的門式框架鋼橋墩構造形式和受力較為復雜，在地震作用下不僅要通過控制應力來保證結構具有足夠的強度，還要通過合理的抗震構造措施來提高結構在往復地震作用下的抗震性能，保證結構在強震作用下的安全性。因此本文首先對現有鋼橋墩的震害進行總結，其次對各國規范中鋼橋墩抗震構造措施進行比較和總結，最后闡述本工程項目中鋼橋墩抗震構造措施的應用情況，為同類橋梁的抗震設計提供一定的借鑒作用。

1 震害總結和損傷機理分析[1,2]

鋼橋墩在美國、日本、歐洲等國家的高速公路橋和城市高架橋中應用較為廣泛，其中經歷過強烈地震并發生過震害的工程主要集中于日本。日本是地震多發國家，1995年日本遭遇震級7.2級阪神大地震（內陸直下型地震），震源深度約為14km，造成了大量高速公路橋和城市高架橋毀壞，其中鋼橋墩在地震中破壞嚴重。此次地震中鋼橋墩的震害形式主要有鋼橋墩墩底部位屈曲，矩形截面橋墩墩底角部及人孔焊接部位開裂，螺栓連接部位的螺栓受損，涂層脫落，墩柱倒塌以及墩柱柱腳錨固部位的損傷等。

1.1 鋼板的局部屈曲

城市高架橋常用經濟橋型為連續梁橋，對于獨柱鋼橋墩，墩底部位為承受地震彎矩最大位置，地震作用時最易發生損傷。在阪神大地震中，圖1為沒有設置縱向加勁肋的2.2m圓形截面獨柱橋墩在截面圓周方向范圍內發生屈曲損傷的震害照片。

圖1 圓形截面鋼橋墩圓周方向的鋼板屈曲

1.2 縱向加勁肋的局部屈曲

鋼橋墩柱腳部位是鋼柱與混凝土基礎之間的重要連接節點，是實現鋼結構與混凝土結構間力的順利傳遞的關鍵部位。在鋼橋墩柱腳部位從鋼結構防腐和鋼墩防撞的角度考慮，均會在鋼橋墩根部距離地面一定高度開始在鋼橋墩外部設置包角混凝土，并在鋼橋墩內部填充混凝土。這使得鋼橋墩墩底混凝土截面與交接面以上空心鋼結構截面剛度相差較大，成為地震易損部位。在阪神大地震中，圖2為矩形截面鋼橋墩墩底鋼結構與混凝土結構交接面上，空心鋼結構截面的縱向加勁肋之間發生局部屈曲的震害照片。

圖2 矩形截面鋼橋墩鋼板屈曲

1.3 局部屈曲變形引起的斷裂

對于矩形截面鋼橋墩，因加勁板局部屈曲變形擴大導致矩形截面內腹板和頂底板轉角處焊縫沿豎向斷裂，其破壞模式見圖3。對于圓形截面鋼橋墩，加勁板局部屈曲導致的變形集中在最初出現局部屈曲的位置，沿圓周方向累計和發展，最終圓形截面橋墩變形后傾斜或截面產生裂縫甚至斷裂。其破壞模式見圖4，圖5為阪神地震中圓形截面鋼橋墩由于局部屈曲累計導致的斷裂震害照片。這種損傷模式會使橋墩失去對豎向荷載的傳遞能力，導致上部結構傾斜或者倒塌。

圖3 矩形斷面橋墩角部破裂

圖4 圓形斷面橋墩傾斜、破裂

圖5 圓形截面鋼橋墩局部屈曲部位開裂

1.4 應力集中部位低周疲勞產生的裂縫

對于門式框架橋墩，與獨柱墩相比除了墩底為彎矩最大處外，框架的梁柱節點部位也是彎矩、剪力耦合受力較大部位，在地震往復荷載作用下，極易在梁柱節點應力集中處出現低周疲勞產生裂縫或斷裂。圖6為框架鋼橋墩梁柱角部節點處產生裂縫的脆性破壞震害照片。

圖6 框架鋼橋墩梁柱角部脆性破壞

2 各國規范比較

目前世界上主要的5個橋梁抗震設計規范分別為美國抗震規范AASHTO、美國加州抗震規范Caltrans、歐洲抗震規范Eurocode8、日本抗震規范道路橋示方書V耐震篇和我國的城市橋梁抗震設計規范。

2.1 美國抗震規范

美國抗震規范《AASHTOGuildeSpecifications forLRFDSeismicBridgeDesign》（2009年）適用于跨徑不超過150m的普通標準梁橋，規范中沒有關于鋼橋墩的抗震構造措施規定。

2.2 美國加州抗震規范

美國加州抗震規范《CaltransSeismicDesign Criteria(Version1.6)》（2010年）適用于跨徑不超過90m的普通標準鋼筋混凝土橋梁，規范內容不覆蓋鋼結構橋梁。

2.3 歐洲橋梁抗震規范

歐洲抗震規范《Eurocode8-Designofstructure forearthquakeresistance-Part2：Bridges》（2009年）適用于梁橋，在第6章抗震構造細節設計中，僅對鋼筋混凝土墩柱構造進行了規定，對鋼結構橋墩的抗震構造措施并未進行規定。

2.4 日本抗震規范[3,4]

日本《道路橋示方書V耐震篇》（2002年）適用于跨徑不超過200m的橋梁。規范中第11章第三節中規定了鋼橋墩詳細的構造措施來預防鋼橋墩在強震作用下發生脆性破壞，確保其有足夠的韌性。規范中規定的構造細節如下：

對于矩形斷面橋墩，在腹板與頂底板形成的角部墊放角板作為角部增強構造，見圖7（a）,或將角部設計為圓弧狀，無需進行角部焊接，見圖7（b）。角部的焊接部位作為全斷面焊入群焊或者通過K坡口進行的部分焊入群焊（鈍邊約為2mm），且使用了可以保證板厚方向機械性能的z向鋼材的構造。同時通過減小鋼板的寬厚比可以增強鋼板的剛性以增強韌性，提高矩形截面橋墩的抗震性能。

圖7 矩形斷面橋墩抗震構造措施

對于圓形橋墩斷面，可在橋墩主體的周圍增設套管構造，見圖8（a），其目的是在圓形截面橋墩局部壓屈變形超過一定程度后內層鋼管與外層鋼管接觸，使壓屈波形多段化，通過分散變形而防止變形集中而產生破裂。或通過設置足夠的縱向加勁肋以增強鋼管的剛度，防止燈籠式壓屈破壞，見圖8（b）。同時可通過限制鋼管的徑厚比，可以提高鋼管的變形能力，防止變形集中引起鋼管破裂。

圖8 圓形斷面橋墩抗震構造措施

為了防止空鋼管橋墩墩底部位被車輛撞擊，一般會在墩底部填充混凝土，矩形截面鋼橋墩混凝土填充頂部位置應在墩內設置橫隔板，以限制矩形截面變形，防止角部產生破裂。

2.5 中國城市橋梁抗震規范

我國《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ166-2011）,雖然適用于所有的城市梁式橋，但在第八章抗震構造細節設計中，僅對鋼筋混凝土墩柱構造細節設計進行了規定，對鋼結構橋墩的抗震構造措施并未進行規定。

從上面的比較可以看出，這5本規范均適用于城市高架橋梁中最常采用的橋型：梁橋，其中美國加州規范Caltrans僅適用于普通標準鋼筋混凝土橋梁，其余4本規范對鋼橋和鋼筋混凝土橋梁均適用。但這4本規范中，僅有日本抗震規范對鋼橋墩抗震構造措施進行了較為細致的規定，其余規范僅對鋼橋墩的抗震設計方法進行了規定，對抗震構造措施方面沒有相關規定。因此本文背景項目中鋼橋墩的抗震構造措施參考日本抗震規范進行設計，以保證橋墩在強震作用下有足夠的韌性，防止脆性破壞的發生。

3 工程概況和鋼橋墩抗震構造細節設計

3.1 工程概況

本工程位于山西省太原市尖草坪區為“Y”形部分互通城市立交橋，由于主線橋梁全線與地鐵2號線區間段和西澗河站站房段共線，主線全線橋梁跨徑布置均受地鐵結構物影響限制，因此主線全線橋梁上部結構均采用等高度鋼結構連續箱梁，下部結構橋墩均采用矩形截面門式框架鋼橋墩。高架橋梁與地鐵車站共線段典型斷面布置見圖9。

圖9 高架橋梁與地鐵車站共線段典型橫斷面布置圖（單位：m）

3.2鋼橋墩抗震構造細節設計

本工程所處場址地震基本烈度為8度區（0.20g），主線和匝道橋梁上部結構均為連續鋼箱梁，主線和匝道橋梁共用下部結構采用橋墩形式為門式框架矩形截面鋼橋墩。選取主線與兩側匝道平行且與地下地鐵車站構筑物共線段中一聯等高度三跨連續鋼箱梁橋為例，對鋼橋墩的抗震構造細節設計進行詳細論述。例橋跨徑布置為43.5m+56m+ 36m，聯長135.5m，主梁梁高2.3m，主線寬23.5m，匝道寬8.5m，聯內主線與匝道均共用門式框架墩，平均墩高為21.6m，框架墩立柱截面尺寸為3.0m×2.0m（縱橋向×橫橋向），橫橋向立柱壁厚為48mm，縱橋向立柱壁厚為40mm，立柱斷面見圖10，框架墩橫梁截面尺寸為3.0m×2.5m（縱橋向×橫橋向），梁端位置橫梁腹板和頂底板壁厚均為40mm，跨中位置橫梁腹板壁厚為20mm，頂底板壁厚為40mm。

圖10 例橋框架墩立柱斷面圖（單位：mm）

依據日本抗震規范，對于矩形鋼橋墩應采用角部增強構造。本例所采用的矩形鋼立柱斷面中橫橋向角部增強部位的占有寬度2c為2×0.3=0.6m，截面橫橋向寬度b為2.0m，2c/b=0.30＞0.25，縱橋向2c/b=0.25，角部增強構造在各邊占有寬度對全寬的比例均大于25%；其次角部增強加勁肋的寬厚比為角部增強肋的板寬（mm），tc為角部增強肋的板厚（mm），σy為鋼材的標準屈服點（N/mm2），E為鋼材的彈性模量，v為鋼材的泊松比。通過這樣的構造設計可以保障角部作為閉口斷面構造，即使變形過大也可以保持角部的角度，防止角部焊接部位破裂，墩柱喪失豎向承載能力。同時對于門式框架鋼橋墩，為了防止立柱與橫梁交接位置應力集中，應采用梁柱節點角部腹板倒圓角過度，以有效緩解應力集中，提高節點位置的抗震性能，緩解應力集中的構造細節見圖11。

圖11 門式框架鋼橋墩梁柱節點角部緩解應力集中構造細節

4 結 論

通過對城市高架橋鋼橋墩震害的總結和各國抗震規范的比較，可以得到以下結論：

（1）地震中鋼橋墩的震害形式主要有墩底部位屈曲，矩形截面橋墩墩底角部及人孔焊接部位的開裂，螺栓連接部位的螺栓受損，涂層脫落，墩柱倒塌以及墩柱柱腳錨固部位的損傷等。

（2）我國《城市橋梁抗震設計規范》（CJJ166-2011）雖然適用于所有的梁式橋，但僅對鋼筋混凝土墩柱構造細節進行了規定，對鋼結構橋墩可以選擇日本抗震規范作為國內規范的補充，用于指導鋼橋墩的抗震構造細節設計。

（3）通過國內某在建高架橋鋼橋墩抗震細節設計可以看出，對于門式框架鋼橋墩抗震細節設計關鍵主要在于對矩形截面鋼橋墩角部加強設計和框架梁柱節點應力集中部位的緩解應力細節設計上，可為今后同類橋梁抗震構造細節設計提供一定的借鑒作用，圖12為例橋框架鋼橋墩施工現場照片。

圖12 例橋框架鋼橋墩施工現場照片（主線未架設階段）

[1]阪神告訴公路株式會社.橋梁抗震與加固-災后應急修復到抗震維護加固[M].北京：中國建筑工業出版社,2013.

[2]嚴國敏.阪神大地震中公路橋梁受害的工程特征[J].國外橋梁, 1996(2)：57-62.

[3]宇佐美勉.鋼橋抗震與損傷控制設計指南：基礎篇[M].江蘇南京：河海大學出版社,2008.

[4]日本道路協會.道路橋示方書·同解說V耐震設計篇[Z].2002.

U442.5+5

：B

：1009-7716（2017）02-0081-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.02.024

2016-11-28

曲慧（1984-），女，遼寧撫順人，工程師，從事橋梁設計和動力分析工作。