地震高烈度區高架橋結構選型及受力特點分析

王培曉

[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

地震是與地球構造運動密切相關的一種自然現象。它是伴隨著地殼上能量的釋放而引起的地球表面強烈振動。我國是一個多地震的國家，許多橋梁橋址處于地震多發區，地質條件復雜，橋址處地震、臺風等自然災害頻繁。倘若橋梁工程遭到嚴重破壞，就會切斷震區的交通生命線，造成救災工作困難，加重次生災害。因此，橋梁的抗震防災工作顯得極為重要[1]。

“5·12”汶川大地震給社會造成了巨大損失，由于震區交通設施損毀嚴重，致使救援人員和物資不能及時到位。特別是位于震中的汶川縣附近道路、國省道橋梁受到嚴重破壞，救災部隊、人員，以及醫療、生活物資遲遲不能從陸路進入，對重災區救援造成極大的阻礙，加劇了災區的人員傷亡。

多年來的震害經驗表明，傳統的橋梁抗震設計，地震后結構損傷破壞嚴重，不能保證應急交通，橋梁破壞所造成的直接和間接經濟損失巨大?；趯蛄汉徒Y構地震震害的認識，美國、日本等國，對于結構的傳統抗震設計、分析方法進行了全面的重新認識，提出基于性能的抗震設計思想。目前，我國城市高架橋梁普遍采用預制裝配小箱梁和預應力混凝土大箱梁構造。這兩種結構無論是在靜力計算方法和施工工藝上，均已經比較成熟，積累了較為豐富的經驗。但是，由于早期抗震規范不成熟，抗震設計手段不夠，地震高烈度區橋梁抗震設計仍有不少技術問題尚待完善。在兩種結構選型中，往往重點關注施工場地運輸便捷性、結構整體美觀性及施工單位施工能力等因素。現著重從抗震角度，根據強震作用下兩種結構型式受力特點不同，以及構造設計不同等，對兩種結構進行對比，為地震高烈度區城市高架橋選型提供參考。

1 工程概況

海口市快速路網骨干工程位于海口市中心城區，貫通?？谑兄鞒菂^東西方向，是海口城市快速路網中的主骨架之一。該工程全線采用高架橋梁的結構形式，西起長濱路，東至國興大道相接，主線橋梁總長13.4km，主線高架兩側布置多對平行上、下匝道，并設置長濱路立交和龍昆路立交兩座立交橋，實橋見圖1所示。主線高架橋標準段采用跨度30m，基礎形式以鉆孔灌注樁為主。工程場址地震動峰值加速度為0.3g，基本烈度為8度高烈度區，在城市建設中必須考慮地震危險性，進行抗震設防，以保證城市生命線工程的地震安全性，保障人民生命財產安全。

圖1 工程之實景

該工程標準跨徑采用3×30m，標準橋寬25.5m?，F選取標準段分別對預制裝配小箱梁和預應力混凝土大箱梁在E2地震下的動力特性進行計算分析，并對受力特點及相應的關鍵構造設計進行比較，最終對地震高烈度區城市高架橋的結構選型提出參考建議。

2 抗震計算

2.1 預應力混凝土大箱梁

橋梁動力特性分析采用離散結構的有限單元方法，有限元計算模型均以順橋向為X軸，橫橋向為Y軸，豎向為Z軸。主梁、橋墩和樁基均離散為空間的梁單元，承臺模擬為質點，用等效土彈簧模擬樁土相互作用；與分析對象相接的兩聯作為邊界條件參與建模。結構動力特性和地震反應分析的三維有限元模型，如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

地震高烈度區，橋梁減隔震器的選擇至關重要。一般來說，橋梁結構都是將支座作為減隔震器，將上下部結構進行分離，并通過減隔震支座的技術處理，達到減震隔震作用，減少上部結構傳遞給下部結構的地震力。目前橋梁工程應用較廣泛的減隔震器主要有：鉛芯橡膠支座、雙曲面摩擦擺式支座及阻尼器等。現取典型柱高8m，并進行抗震計算分析比選，計算結果如表1所列。

表1 E2地震作用計算結果比較表

由抗震計算結果可知，采用雙曲面擺式支座，配套采用阻尼器，可以有效地控制傳遞給下部結構的地震力，并減少地震位移，立柱尺寸可以采用較為常規的尺寸。采用鉛芯橡膠支座，雖然地震位移比雙曲面擺式減隔震支座減少很多，但是傳遞給下部結構的地震力較大，立柱和樁基等下部結構尺寸變大，降低了經濟效益和結構景觀。鑒于上述比較結果，選取雙曲面擺式減隔震支座方案，E2地震水準下抗震設計結果整理如表2和表3所列。

表2 支座驗算表（縱向+豎向輸入）

表3 支座驗算表（橫向+豎向輸入）

取立柱截面配筋率為1.44%，雙向配箍率均為0.4%水平時，立柱抗震驗算如圖3、圖4所示。

圖3 立柱墩底P-M履歷圖（E2縱向+豎向輸入）

圖4 立柱墩底P-M履歷圖（E2橫向+豎向輸入）

由上可知，在E2縱向+豎向輸入及E2橫向+豎向輸入下，立柱的P-M（軸力-彎矩）履歷曲線均在立柱截面PM能力包絡曲線內，立柱基本保持彈性，滿足基本無損傷要求?；A因破壞后較難修復，抗震設計使其保持基本無損傷狀態，按強度控制設計。

2.2 預制小箱梁

建模方法同2.1節所述。由于上部結構采用預制小箱梁，立柱頂需設置蓋梁，動力模型如圖5所示。

圖5 有限元計算模型

由于小箱梁支座噸位較小，且各小箱梁之間整體性與大箱梁相比較弱，受結構形式限制，地震墩梁相對位移不宜過大，建議減隔震器選擇鉛芯橡膠支座，進行抗震分析比選，取典型柱高8m，采取與預應力混凝土大箱梁立柱對應的配筋水平，計算結果如表4所列。

表4 E2地震作用計算結果比較表

因預制小箱梁一般需設置立柱蓋梁的結構特點，蓋梁的地震力無法通過減隔震支座耗散。下部結構受力仍然較大，需要增加下部尺寸和配筋才能達到減隔震體系的設防目標，立柱尺寸普遍需達到2.0m×2.5m，樁基需達到8Φ1500mm。由于平頭蓋梁高度較高，影響景觀和橋下凈空，倒T蓋梁隱藏部分蓋梁高度，結構相對輕巧，可一定程度回避平頭蓋梁的不足，所以建議采用倒T蓋梁結構形式（下文構造設計基于倒T蓋梁方案）。但是，預制小箱梁作為簡支構造，橋面需進行專門設計，以達到橋面連續及舒適性的功能需要。常規小箱梁梁端與蓋梁間隙一般為5cm左右，地震高烈度區橋梁，為避免大地震作用下梁體與蓋梁碰撞破壞，小箱梁與倒T蓋梁間預留安全空隙根據采用的減隔震手段和地震響應的大小計算確定，往往要大于常規橋梁。根據規范，該工程地處8度0.3g（地震安評報告更高），采用減隔震支座，E2地震水平位移較大。根據表4計算結果，墩梁相對位移最大可達到30cm左右，增加了蓋梁尺寸和伸縮縫設計難度。

3 關鍵構造設計

3.1 預應力混凝土大箱梁

預應力混凝土大箱梁由于上部結構為一個整體，可以根據抗震設防目標的設計要求，輕松地通過減隔震支座實現減震和隔震效果，從而降低下部結構尺寸和造價。當然，也帶來了上下部結構相對位移較大的問題。如果，不采取技術措施加以控制，反而會因為位移過大造成結構的不合理。因此，根據項目的實際情況，需要配套設置一系列減隔震關鍵構造措施。

（1）連梁裝置，這是高烈度區橋梁抗震措施的重要組成部分。一般橋梁上部結構在E2地震作用下會發生橫向位移、縱向位移及轉動位移，這些位移一旦過大，會造成橋梁落梁、碰撞，位移發散等危害。1995年日本阪神大地震時，橋梁破壞嚴重，其中主要的一種整體破壞形式就是落梁破壞。震后，日本及時對橋梁抗震規范進行重新修訂，并對現狀橋梁進行了抗震措施加固，普遍加裝了連梁裝置，橋梁抗震設防能力卻得到了極大提升[2]，如圖6所示。

圖6 海秀快速路連梁裝置之實景

（2）三向限位裝置，高烈度區橋梁在E2地震作用下，會出現豎向落梁及跳梁等危害。因此，與其他同類工程相比，需增加縱向、橫向及豎向限位裝置。一方面，可在大地震作用時，防止主梁落梁危害；另一方面，避免因跳梁造成立柱頂局部沖擊破壞，造成結構損傷難以修復，甚至下部結構破壞發生傾覆[2]，如圖7所示。

圖7 海秀快速路三向限位裝置（邊墩）之實景

（3）阻尼器，高烈度區采用減隔震設計的橋梁，在E2地震作用下的位移較大，一般來說允許位移越大，地震力消耗也越多，對下部結構越有利。但是，位移超過一定程度也會帶來其他問題，比如：支座尺寸和立柱尺寸過大，景觀性差；伸縮縫過大，行車舒適度變差等，因此，需要設置阻尼器等手段，適當控制地震位移，同時又能滿足設計預期的抗震性能[2]，如圖8所示。

圖8 海秀快速路阻尼器之實景

3.2 預制小箱梁

預制小箱梁結構，其主要的減隔震設計為抗震支座，由于上部結構整體性較現澆箱梁要弱，一般將地震位移控制在較小范圍，并且由于多支座支撐在蓋梁之上，可以省卻多項限位、連梁裝置等減隔震配套措施。橋面板連續構造是預制小箱梁方案構造措施的關鍵點，該構造的可靠性與耐久性不僅關系到結構抗震可靠性，更關系到結構正常使用的性能，是該方案重要的構造設計。橋面板連續構造設計比較，如表5所列。

表5 小箱梁橋面連續構造設計比較表

橋面連續構造方案示意圖如圖9所示。

圖9 橋面連續構造方案示意圖

橋面板連續構造，在全橋分布極為廣泛，且直接影響到行車舒適性，需選擇安全、實用、耐久、易修復性的方案。根據上述方案優缺點比較，在地震高烈度區城市高架橋設計中，對于預制小箱梁構造，可采用方案五，但施工中需嚴格控制施工質量。

4 結 語

（1）我國處于環太平洋地震斷裂帶和歐亞大陸地震斷裂帶之間，地震災害頻發。根據我國地震區劃規范規定，多地處于地震高烈度區，在這些地區應充分重視城市橋梁抗震設計。一般預應力混凝土大箱梁結構和預制混凝土小箱梁結構都是城市高架橋中比較常用的橋型方案，但是應結合抗震需求和實際建設條件，選擇較為合理的結構形式。

（2）從抗震設計的角度，對兩種結構形式進行比較可見，預應力混凝土大箱梁由于整體性好，可選擇的減隔震手段更為豐富，且避免了大蓋梁設計，通過不同的減隔震器設計，能有效降低下部結構的地震力，從而減少下部結構尺寸和配筋，降低造價，在地震高烈度區城市高架橋選型，具有較好的適應性。