大挑臂樁柱式橋墩抗震性能分析

程利鵬

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引言

廣西部分地區地下巖溶現象十分普遍，在橋梁設計過程中應盡量采用少樁、大樁的理念，以減少樁基施工中地質情況的不確定性風險。因此，樁柱式橋墩在當地工程中較普遍。相對于群樁基礎，樁柱式橋墩樁基直接承受立柱傳遞的荷載，特別是彎矩的作用。對于抗震設防要求較高的大型工程，為了滿足樁基在罕遇地震作用下仍處于彈性工作狀態的要求，合理的上部結構形式和支承體系選擇至關重要。

1 工程背景

某大橋位于南寧市區西北部某鎮，線路分幅設計，橋梁和引道全長約1.08 km。

橋梁工程包括新建跨右江L=（75+180+75）m的鋼混凝土組合連續梁橋、兩岸標準跨徑29m的簡支變連續小箱梁橋，分幅設計、分幅施工，單幅標準橋寬23.5 m。

引橋采用標準跨徑29 m的簡支變連續小箱梁，3~4跨一聯，分幅設計，單幅標準橋寬23.5 m（除去兩側欄桿滴水檐寬0.15 m，實際凈寬23.2 m），兩幅橋之間凈距1.5~5 m。單幅橋設置7片小箱梁，標準梁距3.34 m，單片梁頂寬2.4 m，底寬1.2 m，高1.6 m，梁底橫向水平，梁頂設2%橫坡。

橋墩采用預應力蓋梁+雙樁柱式結構，蓋梁采用大挑臂梯形預應力蓋梁，立柱尺寸1.5 m×1.5 m（帶圓弧），樁基采用直徑2 000 mm鉆孔灌注樁，樁基持力層為中風化灰巖，樁基進入完整巖層不小于2 m，樁之間設置系梁，如圖1所示。

圖1 某大橋引橋橫斷面布置圖（單位：mm）

2 結構抗震設防目標

橋梁下部結構抗震設計理論可分為強度設計、延性設計和減隔震設計[1-3]。采用強度設計時，即使在罕遇地震作用下，也要求結構仍處于彈性工作狀態。其優點是震后結構無損傷，無須修復；缺點是對于地震效應較大的地區下部結構截面和配筋設計較困難，經濟性較差。采用延性設計理念時，要求在多遇地震作用下結構處于彈性工作狀態，在罕遇地震作用下立柱可進入塑性狀態，在立柱地震作用彎矩較大的部位形成塑性鉸，通過塑性鉸耗能并降低結構的自振周期，進而降低地震作用效應，使下部結構設計較為經濟。其缺點在于罕遇地震作用下，立柱塑性鉸區結構產生一定程度的損傷，震后需要修復。因而，對于延性設計要控制立柱的塑性鉸區塑性轉角和墩頂位移，進而控制立柱的損傷程度，做到“小震不壞、中震可修、大震不倒”。采用減隔震設計時，通常是通過變形能力和耗能能力較強的減隔震支座將上部結構與下部結構隔開，通過大幅增加結構自振周期同時伴以支座耗能，使地震作用效應大幅降低。但減隔震設計使用的支座單價比常規支座高，對支座變形空間需求也較大。

根據本工程場地地震安全性評價報告，本工程范圍內E1地震作用水平向地震加速度動峰值0.099g，特征周期0.35 s；E2地震作用水平向地震加速度峰值0.152g，特征周期0.4 s，引橋設防類別為乙類。根據地震峰值加速度，場地的地震強度介于6度區和7度區之間。相比于盆式支座，本橋采用板式橡膠支座能有效降低結構的自振基頻，減小結構的地震響應，并且可以通過調節板式橡膠支座的厚度來平衡不同立柱高度的橋墩的剛度差。另外，還避免了采用固定支座導致一聯中某個單墩受力不利的問題。

根據抗震設防類別要求，E1地震作用下要求立柱和樁基保持彈性工作狀態，E2地震作用下立柱可以進入塑性工作狀態，但樁基作為能力保護構件必須仍然保持在彈性工作狀態。對于樁柱式橋墩來說，樁基直接承受立柱傳遞而來的彎矩和軸力，而樁基采用圓形截面，抗彎效率較低，樁基一般難以在立柱已經屈服的情況下只身仍保持彈性工作狀態，這就形成了樁柱式橋墩抗震設計的特點：為了保持樁基的彈性工作狀態，立柱也必須保持彈性工作狀態。因此，本工程下部結構設計擬采用強度設計的方法，使下部結構在E1和E2地震作用下均處于彈性工作狀態。

3 橋墩抗震分析

引橋采用簡支變連續小箱梁，3~4跨一聯，標準跨徑為3×29.0 m和4×29.0 m，采用板式橡膠支座。選取標注跨徑為3×29.0 m的一聯進行抗震分析。

3.1 橋墩構造和配筋

橋墩蓋梁的高度為2.2 m，立柱的尺寸為1.7 m×1.7 m（帶圓弧倒角），立柱的高度約為8 m。樁基直徑為2.0 m，與上部立柱直接相連，樁頂采用系梁連接。系梁的的高度為1.5 m，寬度為1.7 m。立柱配筋每邊為中間8根φ28的HRB400鋼筋加倒角處3根φ28的HRB400鋼筋。系梁的上緣和下緣分別配置11根φ25的HRB400鋼筋，如圖2所示。蓋梁采用C50混凝土，立柱采用C40混凝土，系梁采用C35混凝土。

圖2 橋墩配筋圖（單位：mm）

3.2 邊界條件剛度分析

橋梁從上到下的傳力路徑為小箱梁—支座—蓋梁—立柱—樁基，因此在建立抗震分析模型時涉及兩處連接部位的模擬：支座與樁基。分別論述如下：

板式橡膠支座可采用線性彈簧單元模擬，其剪切剛度可按下式計算：

式中：Gd為板式橡膠支座的動剪切模量，kN/m2，一般取1 200 kN/m2；Ar為橡膠支座的剪切面積，m2；∑t為橡膠層的總厚度，m。

樁基剛度應采用六彈簧模型進行模擬，各方向的剛度系數可采用m法求解，求出單位力作用下的位移即可。

3.3 計算模型

對于橋墩地震作用效應的計算，采用空間有限元分析軟件Midas對橋寬B=23.5 m、跨徑L=3×29.0 m的一聯建立計算模型。為了考慮相鄰一聯的影響，在左右各建立一聯邊界聯，如圖3所示。輸入地震作用參數：E1峰值加速度0.099g，特征周期0.35 s；E2峰值加速度0.152g，特征周期0.4 s。模型通過剪切彈簧考慮板式橡膠支座的剛度，六自由度彈性約束考慮樁基的基礎柔度的影響，采用多振型反應譜法計算立柱地震效應。

圖3 引橋橋墩地震效應計算模型

3.4 分析結果

提取中間一聯受力較不利的中墩在E1和E2地震作用下，橫橋向和順橋向的響應如圖4、圖5所示。

圖4 地震作用下立柱縱橋向彎矩（單位：kN·m）

圖5 地震作用下立柱橫橋向彎矩（單位：kN·m）

上述結果是單獨地震力作用下的效應，還應與恒載、預應力效應相組合。組合后的內力結果見表1~表3。為了判斷立柱是否屈服，采用Ucfyber程序計算立柱的相應軸力下的抗彎能力。同時需注意的是，E1地震時材料強度取設計值，E2地震時材料強度取標準值。

表1 縱橋向立柱強度檢算結果

表2 E1橫橋向立柱強度檢算結果

表3 E2橫橋向立柱強度檢算結果

從表1~表3中可以看出，E1和E2地震作用下立柱均處于彈性工作狀態，滿足設計要求。

在E2地震作用下，立柱未屈服，立柱的抗剪強度需求為1 766 kN。按照《城市橋梁抗震設計規范》進行截面抗剪強度驗算結果為3 908 kN，立柱的抗剪強度滿足要求。

4 樁基抗震分析

樁基采用直徑2.0 m的鉆孔灌注樁，樁基配筋采用36根φ32鋼筋沿樁截面環形布置。E2地震作用下樁基按能力保護構件計算樁身強度。

E1縱向地震作用下，樁頂的最大彎矩為2981kN·m，軸力為8 170 kN；E1橫向地震作用下，樁頂的最大彎矩為2 464 kN·m，最小軸力為7 564 kN。

E2縱向地震作用下，樁頂的最大彎矩為10752kN·m，軸力為8 170 kN；E2橫向地震作用下，樁頂的最大彎矩為7 224 kN·m，最小軸力為5 742 kN。

考慮最不利組合，以最小單樁軸力時，驗算樁身抗彎強度，利用Ucfyber程序求得E2橫向地震作用下，樁基的屈服彎矩為12 870 kN·m，如圖6所示。樁基處于彈性工作狀態，滿足設計要求。

圖6 樁基等效屈服彎矩計算

5 結語

（1）本文以南寧市某大橋引橋為工程實例，對上部結構為連續小箱梁、采用板式橡膠支座，下部結構為樁柱式雙柱墩的橋梁受力體系進行了抗震分析。結果表明，在按靜力要求配筋的情況下，橋梁下部結構在E1和E2地震作用下均保持彈性工作狀態。

（2）橋梁下部結構抗震設計理論可分為強度設計、延性設計和減隔震設計。實際設計時應根據具體條件，在滿足結構安全的前提下，盡可能滿足經濟性的要求。具體到廣西南寧地區，由于地下溶洞發育，一般采用少樁、大樁的設計思路。目前南寧抗震設防要求已經提高到Ⅶ度，本文的橋梁結構體系將具有較好的適用性和經濟性。