高烈度地區城市高架橋抗震設計探討

武慶喜

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州 730030）

1 抗震體系選擇

橋梁結構的抗震體系有兩種，即延性抗震體系和減隔震抗震體系。

延性抗震體系通過橋墩的彈塑性變形耗能；減隔震抗震體系通過橋梁上、下部結構的連接構件耗能，一般采用減隔振支座。設計時，只能選擇其中一種抗震體系，不能同時選用兩種體系。

城市高架橋具有上部結構梁體寬、自重大，下部結構墩柱剛度大、自振周期短等特點。

地震時，高烈度地區城市高架橋的墩柱受力比較大，采用延性抗震體系會使墩柱、基礎的工程量顯著增加，方案的經濟性較差。

有研究表明，與延性抗震體系相比，對中、矮墩采用減隔震體系更經濟，隨著墩高增大，經濟性差異逐漸減小。采用減隔震體系的橋梁在震后不需要維修或只需簡單維修，可以快速恢復使用，對城市交通的影響較小。城市高架橋多采用中、矮墩，墩高在15 m內。

高烈度地區高架橋抗震體系宜首選減隔震體系，橋梁減隔震設計常采用減隔震裝置，包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座和摩擦擺式支座。

2 抗震分析建模原則

2.1 減隔震抗震分析方法

減隔震支座具有非線性特性，采用減隔震體系的橋梁屬于非規則橋梁，減隔震橋梁應采用非線性動力時程分析方法或多模態反應譜法進行抗震分析。

（1）減隔震橋梁的基本周期（隔振周期）大于3 s。

（2）減隔震橋梁的等效阻尼比超過30%。

（3）考慮豎向地震作用。

2.2 建模原則及參數選擇

（1）計算模型應考慮相鄰結構和邊界條件的影響，通常將計算模型相鄰聯橋梁結構作為邊界條件，否則不能真實反映過渡墩的地震效應。

（2）樁土效應采用土彈簧模擬，彈簧剛度采用m法計算或在承臺底加6個方向的彈簧等效模擬，彈簧剛度根據土層狀況和樁布置按m法計算，一般情況下，m動=（2～3）m靜。

（3）在計算模型中，梁體和墩柱采用空間桿系單元模擬，預應力箱梁宜保留預應力鋼束作用。忽略箱梁預應力作用時，支座反力會有較大差異，引起墩柱地震作用效應偏差。

（4）抗震支座采用雙線性恢復力模型模擬，根據支座恒載支反力設計位移，合理確定支座的特征強度、線性剛度、屈后剛度和等效剛度等參數。

（5）橫橋向和縱橋向的振型、剛度、阻尼比不同，在反應譜分析和時程分析時的橫橋向、縱橋向抗震分析均應單獨建立模型計算。

3 工程概況

橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置（單位：mm）

橫斷面布置如圖2所示。

圖2 橫斷面布置（單位：mm）

某城市高架橋部分引橋孔跨布置為30 m+4×30 m+3×35 m，對4×30 m聯進行分析。

上部結構采用預應力混凝土等高連續箱梁，橋寬度為24.5 m，梁高1.8 m。

橋墩采用分離式柱式墩，墩柱截面尺寸為2 m×2 m，基礎采用鉆孔灌注樁，樁徑1.2 m；支座采用摩擦擺減隔震支座，最大允許位移200 mm。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），橋址區抗震設防烈度為8度，設計地震動峰值加速度0.30g，地震動加速度反應譜特征周期0.4 s，地震分組為第二組。根據鉆孔剪切波測試結果可知，橋址區為Ⅱ類場地。

支反力及支座選型如表1所示。

表1 支反力及支座選型

4 反應譜分析

4.1 反應譜迭代計算

減隔震裝置具有非線性特性，反應譜法是一種線性分析方法，采用反應譜法進行抗震計算時應采用等效剛度、等效阻尼比和等效阻尼修正后的反應譜進行計算。

分析前，減隔震裝置的位移是知，等效剛度和等效阻尼比也未知，反應譜法分析是一個迭代過程。

（1）建立橋梁抗震計算模型，初始計算時的各支座剛度取初始剛度，全橋等效阻尼比取0.05。

（2）首次計算后，得到各支座位移，根據位移計算支座等效剛度、全橋等效阻尼比，根據全橋等效阻尼比修正設計加速度反應譜值。

（3）重新進行抗震計算，再次得到各支座位移，新的位移值與上次計算結果相差大于3%時，繼續修正支座等效剛度、全橋等效阻尼比和設計加速度反應譜值，進行迭代計算，前后兩次計算的位移誤差小于3%時，迭代結束。

4.2 計算結果

反應譜計算參數及結果如表2所示。

表2 反應譜計算參數及結果

由表2可知，橋梁隔振周期隨著迭代次數增加而增大，從2.10 s增大至4.22 s，在第一次迭代結束后，隔振周期已大于3 s，本工程抗震分析必須采用非線性動力時程方法。

分析支座位移結果，迭代終止時支座位移達661 mm，遠大于抗震支座的允許位移（200 mm），其位移計算結果不合理。

5 時程分析

5.1 地震波選取

已完成地震安全性評價工程，可以根據地震安全性評價結果確定地震波。

對于未做地震安全性評價的場地，可以根據規范設計加速度反應譜人工擬合地震波，也可以通過時域方法調整實際地震的地震波，使其加速度反應譜與規范設計加速度反應譜相匹配。時程分析至少需要3組地震波，計算結果取最大值；采用7組以上地震波時，計算結果取平均值，本次采用3組擬合地震波。

5.2 計算結果

以縱向地震計算為例，計算結果取3組地震波的最大值，墩底內力及支座位移如表3所示。

表3 墩底內力及支座位移

樁基礎最內力如表4所示。

表4 樁基礎最內力

5.3 抗震驗算

進行橋墩、基礎的驗算時，應將地震作用乘以0.667的折減系數，按現行《公路鋼筋混凝土及預應力橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）進行配筋驗算。樁基礎豎向承載力的驗算不包含地震作用。

6 結語

高烈度地區城市高架采用中、矮墩（橋墩高度不大于15 m）時，宜采用減隔震抗震體系。采用反應譜法進行減隔震設計時，支座等效剛度、全橋等效阻尼比和設計加速度反應譜值應進行迭代計算；減隔震橋梁基本周期（隔振周期）大于3 s或等效阻尼比超過30%時，反應譜抗震計算結果不準確，必須采用非線性動力時程方法。