公路兼城市道路橋梁抗震設計對比分析

■劉其卓

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

1 工程概況

晉江某大道位于晉江以南， 路線經過晉江市區、安海鎮、南安水頭鎮，作為貫穿晉江市東西向的主要干道，承擔著晉江市的集疏運功能。 項目采用一級公路兼城市快速路的技術標準進行設計，主線雙向八車道，設計速度80 km/h，道路紅線寬70 m（含輔道），道路全長約5.5 km，其中設置橋梁2 687 m/6 座，橋梁采用分離式斷面形式，單側橋寬17 m，中央綠化帶6.5 m，標準跨徑采用35 m 預制小箱梁，下部結構采用1.6 m×1.6 m 的矩形雙柱墩，基礎采用4 根樁徑1.6 m 的鉆孔灌注樁， 橋梁標準橫斷面布置見圖1。

圖1 橋梁標準橫斷面

1.1 主要技術標準

（1）道路等級：一級公路兼城市快速路；（2）設計速度：設計速度80 km/h；（3）荷載等級：公路-Ⅰ級（城市-A 級校核）；（4）設計基準期：100 年；（5）結構安全等級：橋梁結構為一級；（6）環境類別：Ⅰ類。

1.2 地質條件

擬建場地內巖層地質由上往下分布地層為第四紀人工填土、沖洪積層、坡殘積層、燕山早期侵入花崗巖。

1.3 地震參數及抗震設計要求

依據《中國地震動峰值加速度區劃圖(GB 18306-2015)》、《公路橋梁抗震設計規范（JTG/T 2231-01-2020）》[1]及《城市橋梁抗震設計規范(GJJ 166-2011)》[2]的相關規定，并結合本項目的技術標準及橋梁的標準跨徑形式，得出地震參數及抗震設計要求（表1）。

表1 地震參數及抗震設計要求

2 抗震性能設計標準介紹

地震作用主要采用設計加速度反應譜和設計地震動時程兩種方法來表征，本文采用設計加速度反應譜的方法來計算地震作用， 并進行抗震分析。本項目橋梁抗震設防類別不論是公路橋梁的B 類，還是城市橋梁的乙類， 均采用兩水準抗震設防，即E1 地震作用對應于第一級設防水準，E2 地震作用對應于第二級設防水準。

2.1 地震作用

2.1.1 公路橋梁抗震設計標準

本項目道路等級在公路中定義為一級公路，依據《公路橋梁抗震設計規范》：水平向設計加速度反應譜S 取值情況如下：

式中：T 為周期（s）；T0為反應譜直線上升段最大周期，取0.1s；Tg為特征周期（s）；Smax為設計加速度反應譜最大值（g）。

其中反應譜最大值Smax為：Smax=2.5CiCsCdA

式中：Ci為抗震重要性系數；Cs為場地系數；Cd為阻尼調整系數；A 為水平向基本地震動峰值加速度。

設計加速度反應譜見圖2。 根據橋梁的地震設防烈度、地震動峰值加速度、抗震設防類別、抗震設計方法，得出地震作用參數的數值（表2）。

圖2 公路橋梁抗震設計加速度反應譜

表2 公路橋梁抗震設計參數取值

2.1.2 城市橋梁抗震設計標準

本項目道路等級在城市中定義為城市快速路，依據《城市橋梁抗震設計規范》：水平向設計加速度反應譜S 取值情況如下：

式中：η2為阻尼調整系數 （s）；γ 為曲線衰減指數；η1為斜率調整系數（s）；其余參數同《公路橋梁抗震設計規范》。

其中反應譜最大值Smax=2.25A （其中的A 值應考慮調整系數Ci）。

設計加速度反應譜見圖3。 根據橋梁的地震基本烈度、地震動峰值加速度、抗震設防類別、抗震設計方法，得出地震作用參數的數值（表3）。

圖3 城市橋梁抗震設計加速度反應譜

表3 城市橋梁抗震設計參數取值

2.2 抗震性能設計參數對比

從上文公路與城市規范關于地震作用的規定可以看出， 設計加速度反應譜S 值主要有以下不同：（1）反應譜最大值Smax取值不同；（2）周期T 的范圍不同[4]，如《公路橋梁抗震設計規范》中T 的范圍為0≤T≤10 s，而《城市橋梁抗震設計規范》中的范圍為0≤T≤6 s；（3）加速度反應譜譜值S 在周期值大于特征周期Tg后的變化曲線不同；（4）E2 地震作用的地震重現期不同，如《公路橋梁抗震設計規范》中的重現期是2 000 年，《城市橋梁抗震設計規范》中重現期是2 000～2 450 年。

以地震作用關聯性最大的Smax為例， 根據各自規定計算得出的結果見表4，從表中可以看出，采用《城市橋梁抗震設計規范》 計算得出的E1、E2 地震作用分別比《公路橋梁抗震設計規范》的計算結果大9.6%與8.5%， 因此對于按一級公路兼城市快速路技術標準設計的橋梁，地震作用需要按《城市橋梁抗震設計規范》的規定采用。

表4 抗震性能設計參數對比

3 抗震設計對比結果與分析

3.1 建立模型

在公路橋梁與城市橋梁地震作用對比的基礎上，建立了35 m 標準跨橋梁的有限元模型，對抗震分析做進一步的對比。 根據場地的地質情況，為提高模擬的精度，采用土彈簧模擬了實際樁長，同時為準確得出過渡墩的內力情況， 建立了兩聯的模型[5]，即模擬的橋長為2×（4×35）m，整體有限元模型見圖4。

圖4 標準跨徑抗震有限元模型

3.2 抗震設計結果分析

3.2.1 抗震動力特性分析

本橋運用MIDAS/Civil 程序進行動力特性分析，全橋共提取50 階模態，X、Y 水平向的參與質量分別達到了98.6%與98.4%，前10 階主要模態的頻率與周期結果及振型圖分別見表5、圖5。

圖5 主橋第1 階振型圖（主梁縱飄）

表5 主橋自振頻率及振型特征

3.2.2 抗震性能參數分析

橋梁的抗震分析，主要采用能力保護設計方法對橋梁下部結構的強度與變形進行驗算，其中橋墩塑性鉸區的抗剪驗算是重點。 對于采用雙柱式橋墩的常規橋梁，縱橋向的橋墩塑性鉸區通常發生在墩底， 橫橋向的橋墩塑性鉸區通常發生在墩頂與墩底。 地震剪力設計值需要根據截面極限彎矩Mu來確定，在計算截面極限彎矩Mu之前，應先判斷橋墩是否進入塑性狀態， 而判斷的依據是等效曲服彎矩My，彎矩-曲率曲線見圖6。

圖6 彎矩-曲率曲線

3.3 抗震設計驗算分析對比

根據兩種規范分別計算縱、橫橋向橋墩的地震彎矩，并進行對比分析。 為方便比較，本試驗假定橋墩支座均滿足抗震要求，橋墩的最不利軸力僅考慮恒載作用。 在此基礎上，將計算的地震彎矩與縱、橫向的等效曲服彎矩My進行比較，判斷橋墩在兩水準地震工況下，是否進入塑性狀態。

3.3.1 公路橋梁抗震設計驗算

對建立的有限元模型，依據《公路橋梁抗震設計規范》的要求進行抗震驗算，其中的振型組合采用CQC 法，即考慮了振型的相關性，X、Y 兩水平向地震荷載采用SRSS 法進行組合。 在E1、E2 地震作用下， 橋墩可能出現塑性鉸區位置的最大彎矩、等效屈服彎矩、極限彎矩結果見圖7、表6、7。 從表6可知，在E1 地震作用下，橋墩主要位置的能力需求比均大于1，說明橋墩處于彈性狀態；從表7 可知，在E2 地震作用下，除過渡墩墩底外，橋墩其他位置能力需求比均大于1，處于彈性狀態，而只有過渡墩墩底在順橋向與橫橋向的能力需求比小于1， 即出現了塑性鉸，進入塑性狀態，因此在這個位置需進一步驗算橋墩的剪切強度與變形。

表7 E2 地震作用下橋墩抗彎強度驗算結果

圖7 E2 地震作用下橋墩縱向最大彎矩圖

表6 E1 地震作用下橋墩抗彎強度驗算結果

3.3.2 城市橋梁抗震設計驗算

對建立的有限元模型，依據《城市橋梁抗震設計規范》的要求進行抗震驗算，在E1、E2 地震作用下，橋墩可能出現塑性鉸區位置的最大彎矩、等效屈服彎矩、極限彎矩結果見圖8、表8、9。 從表8可知，在E1 地震作用下，橋墩主要位置的能力需求比均大于1，說明橋墩處于彈性狀態；從表9 可知，在E2 地震作用下，連續墩與過渡墩墩底在順橋向，過渡墩墩頂與墩底在橫橋向的能力需求比均小于1，說明在這些位置出現了塑性鉸，進入塑性狀態。 同上，在這些位置需進一步驗算橋墩的剪切強度與變形。

圖8 E2 地震作用下橋墩縱向最大彎矩圖

表8 E1 地震作用下橋墩抗彎強度驗算結果

表9 E2 地震作用下橋墩抗彎強度驗算結果

3.3.3 抗震設計對比分析

依據兩種抗震規范計算E2 地震作用下的最大彎矩結果見表10。從表10 可知，橋墩不同位置采用《城市橋梁抗震設計規范》 計算得出的最大彎矩值比《公路橋梁抗震設計規范》 的計算結果大19%～25%，因此依據《城市橋梁抗震設計規范》的計算結果更不利。

表10 E2 地震作用下的最大彎矩對比

4 結論

（1）對于一級公路兼城市快速路的橋梁，在抗震設計時，E1、E2 地震作用的取值，《城市橋梁抗震設計規范》 分別比 《公路橋梁抗震設計規范》大9.6%與8.5%，因此設計時，地震作用需要按《城市橋梁抗震設計規范》的規定取值。

（2）進行抗震分析時，在E2 地震作用下，橋墩不同位置依據《城市橋梁抗震設計規范》計算得出的最大彎矩值比《公路橋梁抗震設計規范》的計算結果大19%～25%， 因此在大橋振型周期較短的情況下，計算結果即出現了較大的差異。 而對于具有長周期的大跨度橋梁，地震作用效應的差異將更加明顯。

（3）按照本橋下部結構擬定的尺寸，依據公路橋梁或城市橋梁抗震規范計算在E2 地震作用下的結果可知，橋墩均出現了塑性鉸的情況，說明采用常規支座，無法保證地震工況下橋墩處于彈性工作狀態，因此需要采取減隔震措施（如設置減隔震支座），以減輕地震作用的影響。