地震作用下橋梁墩柱配筋分析

林子力，許蕓熙

(云南省交通規劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650041)

我國是地震多發國家，橋梁在地震力作用下，上部結構因具有足夠的強度、剛度和良好的延性，極少遭受直接破壞，而采用鋼筋混凝土材料的下部結構往往遭受較大損傷。在橋梁的運營期限內，破壞性的大震發生概率較低，要把橋墩設計成能抵抗罕遇地震，既不經濟也無必要。因此，橋梁下部結構的抗震設計目標是：在罕遇地震作用下，通過墩柱的變形來消耗地震作用，但需把墩柱位移控制在一定范圍內，確保結構不發生垮塌。

1 工程概況

研究對象為鶴慶至關坡高速公路跨線橋，上部結構為現澆預應力混凝土連續箱梁，采用單箱雙室，孔跨布置為20 m+2×26 m+20 m，支座采用盆式橡膠支座，下部結構采用雙柱式矩形墩，基礎采用樁基礎。橫斷面布置為0.5 m+凈8.0 m+0.5 m，設計荷載為公路-I級。橋梁設計基本烈度為VIII度，場地特征周期0.45 s，峰值加速度為0.3 g，場地類型為II類。采用MIDAS Civil 2019軟件計算橋梁抗震特性，計算簡圖見圖1，橋梁基本參數見表1。

圖1 跨線橋計算簡圖(橋臺未示出)

表1 橋梁下部結構基本參數

2 計算方法

《公路橋梁抗震設計規范》(JTG/T 2231-01-2020)(以下簡稱《抗震規范》)中把橋梁分為規則和非規則兩大類，根據不同的地震作用，針對不同類型橋梁推薦采用反應譜法或者時程分析方法。

2.1 反應譜法

反應譜法是結構抗震設計中廣泛采用的一種分析方法，通過采用“地震荷載”的概念，結合地震反應譜求出結構最大的地震響應值。反應譜法的優勢在于計算量小、概念簡單，對于規則結構通常可簡化計算，計算過程主要是把結構的振型方程進行分解，再把反應最大值進行組合，從而得到結構最大反應值。但是，采用反應譜法計算只能得出下部結構彈性計算結果，不能考慮材料和支撐等的非線性影響。進入彈塑性工作范圍時，有限元分析中只能結合下部結構軸力-彎矩-曲率(P-M-φ)曲線，通過折減橋墩剛度考慮墩柱進入彈塑性工作后的全橋受力性能，這種簡化方法針對下部結構彈塑性工作性能具有較大的局限性。

所以，反應譜計算方法不適用與需要考慮非線性的下部結構。并且，反應譜法計算下部結構受力時只能給出相應陣型的最大地震力，無法精確計算模擬地震作用的全過程。對于高速公路常見的橋梁，相當一部分符合《抗震規范》中所述的“規則橋梁”定義，其地震響應較為簡單，因此采用反應譜法分析是適用的。

2.2 時程分析方法

時程分析法是將地震動記錄或者人工波作用在結構上，直接進行運動方程的積分，可以得出任意時刻結構的地震響應值。它可以考慮各種復雜非線性因素、樁土相互作用以及分塊阻尼等問題。

采用時程分析法雖能較為準確地模擬出下部結構在各個階段的地震響應，但同樣存在幾點不足：通常可進行結構時程分析的有限元軟件較為復雜、建模工作量大、運算時間長；采用時程分析方法需要設計人員掌握結構非線性、材料非線性、邊界非線性等相關知識，從而較為準確地模擬需要進行地震分析的結構；采用時程分析方法計算時通常需要考慮樁-土效應，對于計算采用的土彈簧參數，因其參數較為復雜，主要參數都存在一定的范圍、離散性較大，不同土彈簧參數會對結構的動力響應產生較大影響；不同地震波對于計算結果也會產生影響較大，一般情況下地震波可由地震相關部門提供當地的地震波進行分析，但是地震記錄不足時則需設計人員結合其它地震波結合相應的頻譜特性、有效峰值和持續時間等因素，通過人工選取地震波，《抗震規范》中建議可選取三組地震波采用其中的最大值，或者選取七組地震波通過計算其平均值來綜合分析下部結構性能。時程分析法可以對結構的彈塑性狀態進行計算分析，是目前進行結構抗震分析較為可靠的方法，有著明顯的優勢。目前，大多數國家對大跨徑、高墩橋梁或者復雜重要的橋梁，因其地震響應和下部結構塑性鉸行程機制較為復雜，均建議采用時程分析計算方法。

2.3 本橋采用的分析方法

分析對象為4跨連續梁，橋梁平面位于直線上，單跨最大跨徑為26 m，邊中跨比為0.77，支座采用盆式橡膠支座；下部結構橋墩采用矩形雙柱式墩，最大墩高11.6 m，橋墩計算高寬比適中。地質條件為自地表往下依次為紅黏土、黏土巖、中風化灰巖，地質條件良好。依據《抗震規范》表6.1.3，本文研究對象屬于規則橋梁，可采用反應譜方法進行計算。

3 參數分析

本橋2#橋墩為制動墩，荷載作用下，所承受水平力遠大于非制動墩，故以2#橋墩為研究對象。2#橋墩選用方形截面，截面尺寸為1.4 m×1.4 m，墩高10 m，C35混凝土，墩柱縱向受力鋼筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋，箍筋采用井字復合箍。

采用軸力-彎矩-曲率(P-M-φ)曲線分析橋墩延性時，需結合橋墩配筋定義約束混凝土及鋼筋的非線性材料特性，本文中采用Mander(1988)模型定義約束混凝土的本構關系，采用雙折線模型定義鋼筋的應力應變關系曲線。

3.1 縱筋配筋率的影響

經計算，為保證橋墩在E1地震作用下滿足順橋向強度驗算，橋墩順橋向縱筋數量應不小于42根32 mm直徑的HRB400級鋼筋，對應縱筋配筋率1.72%，以此為起始每級增加2根32 mm直徑鋼筋，通過有限元分析計算2#橋墩的抗彎及延性性能，計算結果見圖2。

圖2 縱筋配筋率對橋墩延性的影響

計算結果表明，在相同受力模式、邊界條件約束相同的情況下，通過改變縱向受力鋼筋配筋率會影響截面的受力性能，從而改善下部結構的性能和破壞形態。計算結果表明，增大縱向受力鋼筋配筋率將減小受壓破壞構件的極限曲率，其位移延性也會隨之減小。

3.2 配箍率的影響

經計算，為保證橋墩在E1地震作用下滿足抗剪強度驗算，橋墩箍筋的體積配筋率不應小于0.215%，以此為起始每級增加HRB400級12 mm雙肢箍筋環，計算并分析2#橋墩的抗彎及延性性能，計算結果見圖3，計算結果顯示：隨著箍筋配筋率的提高，塑性鉸區域截面核心混凝土約束隨之提高，混凝土的應變能力隨橫向約束的增強而增大。計算結果表明，隨著箍筋體積配箍率的提高，墩柱延性系數不斷增大，墩柱獲得更大的延性。

圖3 配箍率對橋墩延性的影響

4 結束語

本文從墩柱縱向鋼筋配筋率和箍筋體積配箍率入手，計算分析了橋梁墩柱的延性性能，計算結果表明，縱筋配筋率的增大會降低墩柱的延性；箍筋體積配箍率提高的同時，墩柱延性性能也隨之增大。所以在橋墩的抗震設計中，在滿足E1強度驗算的條件下，墩柱的設計應控制縱筋的配筋率，且在滿足經濟性和施工方便性前提下，可適當增大箍筋的體積配箍率以增加墩柱延性。