延性抗震體系下橋梁支座水平承載能力分析

□文 /袁有為

自2008年汶川地震以來，橋梁抗震問題受到越來越多的關注，國內橋梁抗震研究也越來越深入，一系列新的橋梁抗震設計新規范相繼頒布，支座作為橋梁中重要的傳力構件，其承載能力直接關系到橋梁延性抗震體系是否成立。

1 橋梁抗震體系的發展

在橋梁的抗震體系方面，美國AASHTO規范和中國的橋梁抗震規范均規定了混凝土結構橋梁的兩種抗震體系：延性體系和減隔震體系。延性體系橋梁的抗震原理：在多遇地震下結構應保持彈性，在罕遇地震下結構可進入延性狀態。在罕遇地震作用下，使橋墩頂部或底部作為“保險絲單元”而率先達到彈性強度限制并通過其塑性變形和耗能以延長結構周期且耗散地震能量[1]。減隔震體系的原理：在上下部結構之間引入減隔震裝置，通過其塑性變形來耗散地震能量并延長結構周期，達到降低結構地震響應的目的。

自從1971年美國圣福爾南多地震發生后，延性設計理念得到了國際上的普遍重視和認可，延性體系相對來說簡單可靠，技術成熟，目前絕大多數常規橋梁均采用延性體系進行抗震設計；而減隔震體系目前主要用于高烈度地區的大跨徑橋梁。

能力保護理論是延性抗震體系非常重要的設計方法和思想，于20世紀70年代由新西蘭學者首次提出。能力保護理論的主要原理：為防止脆性破壞模式的發生，須保證大震下的損壞部位發生在預設的延性構件上，因而支座、基礎等非延性構件應作為“能力保護單元”而具有比“保險絲單元”更強的承載力[2]。簡而言之，就是通過設計使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異，進而確保結構不發生脆性破壞。

2 規范對延性抗震體系的規定

從20世紀中葉起，延性抗震理論就逐漸被一些國家的抗震規范所采用。20世紀70年代以后，新西蘭、美國、歐洲、日本以及我國臺灣地區的橋梁抗震規范中先后針對延性體系設計理論采用了能力保護方法。我國在2008年以后頒布的幾部橋梁抗震規范也引入了能力保護方法。

2008年以前，我國的橋梁抗震規范尚不成熟，一些國際上的前沿理論和技術并沒有系統地體現在中國抗震規范中，這一時期的橋梁抗震規范可以認為是第一代規范，如JTJ 004—89《公路工程抗震設計規范》和GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》等，這些規范均未對延性體系的設計做出充分詳細的規定，也未引入能力保護的原則。

2008年汶川地震發生后，我國在橋梁抗震領域的研究不斷深入，陸續頒布了幾部橋梁抗震規范，如JTG/TB 02-01—2008《公路橋梁抗震設計細則》、CJJ 166—2011《城市橋梁抗震設計規范》、JTGB 02—2013《公路工程抗震規范》、GB 50909—2014《城市軌道交通結構抗震設計規范》等，這幾部規范更好地與國際先進理論和成熟規范接軌，可以認為是第二代抗震規范。其中，GB 50909—2014采用了更加開放的基于性能的設計理念，但并未對抗震計算細節做出明確規定。除此之外，第二代規范均系統規定了延性抗震設計思想和設計方法，也引入了能力保護方法以保證結構的延性。

3 新老規范對支座水平力的不同要求

3.1 第一代抗震規范的支座水平力需求

式中：FhE為固定端的水平地震力；Ag為地震動峰值加速度；md為簡支梁一孔梁和橋面的質量；μ為活動支座的摩擦系數；Ra為活動支座的反力。

3.2 第二代抗震規范的支座水平力需求

GB50909—2014采用了更加開放的基于性能的設計理念，并未對抗震計算細節做出明確規定。但JTG/TB 02-01—2008、CJJ166—2011 及 JTGB02—2013 均引入了延性抗震設計思想和能力保護原則，充分考慮了能力保護構件和塑性鉸區域的承載能力關系，保證塑性鉸區能夠率先達到彈性強度限值并保證在任何地震水平下支座、基礎等非延性部位均不發生破壞。其中支座水平地震力的計算

式中：V為一個支座所承受的地震水平力；φ0為截面受彎承載力超強系數，一般取1.2；Μu為橋墩塑性鉸截面的極限彎矩；n為一個墩位承擔地震水平力的支座個數，H為懸臂墩的墩高。

由式（2）可以看出，支座水平力主要取決于橋墩塑性鉸區的極限彎矩和墩高，而橋墩塑性鉸的極限彎矩取決于橋墩的截面尺寸和配筋，這也間接反映了地震加速度水平、上部結構質量、橋梁整體動力特性等因素。

3.3 兩代抗震規范的支座水平力需求對比

用兩代抗震規范、兩種抗震計算思想分別對8度區IV類場地條件下軌道交通30 m跨簡支現澆梁橋和3×30 m跨連續現澆梁橋進行支座水平力需求對比計算。

第一代規范以GB 50111—2006為例，第二代規范以CJJ 166—2011為例，計算結果見圖1和圖2。

圖1 30 m簡支梁支座水平力對比

圖2 3×30 m連續梁支座水平力對比

根據GB 50111—2006的支座地震水平力計算公式，30 m簡支梁橋固定支座水平力與豎向承載力的比值為30%，3×30 m連續梁橋的比值為23%，與墩高并無關系。而根據CJJ 166—2011的計算公式，30 m簡支梁橋固定支座的水平力比值在64%～80%之間，3×30 m連續梁橋的比值在46%～61%之間。

4 結論

1）根據第二代規范（基于能力保護思想）計算的支座水平力需求遠大于第一代規范（基于傳統等強度思想）計算的支座水平力需求，二者之間的比值約為2.0～2.7，因此新一代抗震規范對延性體系橋梁支座的水平承載力提出了更高要求。

2）我國早期的JTJ 004—89《公路工程抗震設計規范》和GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》中對支座水平地震力的計算規定較為相似，均采用靜力抗震分析法進行計算，未考慮橋梁整體自振特性和動力因素的影響，更未采用能力保護的原則來設置強度等級差，是一種等強度的設計方法。以GB50111-2006的計算公式為例可以看出，支座水平地震力是按設計地震（重現期475 a）進行計算，其大小主要取決于上部結構的質量，而與下部結構形式及尺寸、墩高等因素均無關。

3）延性抗震體系下，橋梁的支座水平承載力和墩柱塑性鉸區的屈服彎矩密切相關[3]，在考慮現有的橋梁支座技術水平、工程經濟性等指標，橋梁墩柱的配筋應進行充分的優化。