高烈度區中小跨徑城市矮墩高架橋梁地震響應分析

摘要：“生命線工程”主要是指維持城市生存系統以及能夠對于國計民生造成影響的工程項目，主要包括了排水、供水、電力、電話、無線電和電視等，同時還包括了公路，鐵路、航道等交通系統。其中最為關鍵的組成部分就是橋梁。它在應對洪水和地震等地質災害，以及跨越復雜地形條件發揮著非常重要的作用。橋梁結構的安全與否關系著整個交通系統的是否運營暢通，對交通系統的抗災害能力以及養護維修帶來非常大的影響。文章主要論述在西南地區高地震烈度下，某些情況下當路線縱斷面的設計受到影響，或者空間、地形有特殊要求時（例如市區），采用矮墩大跨進行設計，此時橋墩、基礎對地震的響應表現情況，以及對于減震、隔震措施進行探討。

關鍵詞：高烈度區""中小跨徑城市""矮墩高架橋梁""地震響應分析

中圖分類號：U442"""文獻標識碼：A

Seismic"Response"Analysis"of"Small-and"Medium-Span"Urban"Short"Pier"Viaducts"in"High"Earthquake-Intensity"Areas

CHEN"Han

（Sichuan"Communication"Surveying"amp;"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Chengdu，"Sichuan"Province，"610000"China）

Abstract："\"Lifeline"engineering\""mainly"refers"to"the"engineering"projectsnbsp;that"maintain"the"urban"survival"system"and"can"affect"the"national"economy"and"the"people's"livelihood，"which"mainly"includes"drainage，"water"supply，"electricity，"telephone，"radio"and"television，"as"well"as"highways，"railways，"waterways"and"other"transportation"systems."Among"them，"the"most"critical"component"is"the"bridge，"and"it"plays"a"very"important"role"in"coping"with"geological"disasters"such"as"floods"and"earthquakes"and"in"crossing"complex"topographic"conditions."Whether"the"bridge"structure"is"safe"is"related"to"whether"the"whole"traffic"system"is"operating"smoothly，"which"has"a"great"impact"on"the"disaster"resistance"ability"and"maintenance"of"the"traffic"system."This"article"mainly"discusses"the"response"performance"of"piers"and"foundations"to"earthquakes"and"the"measures"for"seismic"absorption"an"isolation"when"using"short"piers"and"long"spans"for"design"when"the"design"of"the"route"profile"is"affected，"or"space"and"terrain"have"special"requirements"（such"as"urban"areas）"in"some"cases"under"the"high"earthquake-intensity"in"southwest"China.

Key"Words："High"earthquake-intensity"area;"Small-and"medium-span"city;"Short"pier"viaduct;"Seismic"response"analysis

常規項目之中大跨橋墩一般采用柔性高墩。由于柔性高墩具有良好的變形能力，對地震與混凝土的結構收縮，溫度等因素具有較好的承載能力。然而某些特殊條件下，因為有外部環境的影響，必須采用矮墩設計。例如，因為近岸環境的各項要求，以及道路和線路方面的需求。由于橋墩較矮，橋墩本身剛度非常大，在地震力作用下極易發生脆性破壞。文章主要闡述了在高烈度區中小跨徑城市矮墩橋梁地震響應分析與橋梁設計的各方面的影響。

1"地震動輸入及地震響應分析

1.1"動力計算模型

該橋梁是使用MidasCivil軟件創建的，主要是通過利用橋梁結構空間模型，采用反應譜法進行抗震分析，主梁、橋墩和承臺、樁基均采用空間梁單元模擬。[1]對于橋梁構造做出沖擊阻尼的分析，橋梁設計動力學經過解析之后，模型是可以正確反應結構的實際情況。同時也可以將E1和E2地震所引起的振動模態，形狀以及內力作出反應。大多數情況下，橋梁構造在動力學進行計算的時候，必須要滿足以下幾點：（1）對于模型之中的梁和柱進行計算，能夠將單元質量的空間單位模擬實現且柱子和梁之間單元劃分必須要對于結構的實際力做出表示；（2）要利用模擬立柱的具體效果，其中必須要將相關標準中的數據進行采用。

1.2"樁土效應的有限元分析

因為橋墩較矮，加上有溫度效應、混凝土收縮徐變的影響，在橋梁支柱內部的抗震比較大。在矮墩高架橋模擬具體過程當中，不能夠直接連接到固結。在矮墩具體計算的時候，樁身的空間應用只能夠將其作為彈性彈簧，同時利用“土彈簧M法”模擬樁周基礎。[2]對于橋墩和基礎具體分析的時候，要充分考慮樁土效應情況下墩頂內力、水平位移、裂縫，區別直接采用固定支座模擬墩柱的強度和內力展示效果是完全不同的，所以對于矮墩作出建立模型的時候要考慮到所有荷載影響，這樣才能夠在進行計算時更準確，避免材料浪費，如圖1所示。

1.3"地震響應分析

通過反應譜法來進行分析，具體反應能夠直接分析出E1，E2地震之下的結構反應。在對于反應譜做出分析之后，地震的輸入方向有兩種，即“縱橋向+豎向”“橫橋向+豎向”。方向組合使用SRSS方法，模式組合使用CQC方法（在以下計算中，正軸力稱為壓力，負值稱為拉伸應力）。地震反應分析表明，在縱橋向，3#墩（固定墩）控制結構下部設計。在橫橋向，橋墩的高度會直接影響到橋墩的彎矩，但是在橋墩結構下部進行設計的時候，和1#和2#非常類似。

1.4"抗剪能力驗算

采用橋墩形成柔性鉸鏈的假設，依據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T"02-01-2008）中橋梁抗剪強度的公式進行抗剪設計。但是，矮墩設計需要靈活性，不適用?！豆蜂摻罨炷良邦A應力混凝土橋涵設計規范》（JTGD"62—2012）中的抗剪強度計算公式僅適用于梁，不適用于塑性設防水準和抗震設防性能目標。

根據規范要求橋墩不可以發生任何損壞。為了防止此情況發生，在地震力縱橫向組合之后，根據《公路橋梁抗震設計細則》（JTG/T02-01-2008）第7.3.2條，以小于2.5（或小于2.5）的尺寸（對于計算長度與圓形直徑的比例）計算橋墩。這是橋梁能夠起到抗震作用的最大能力。換句話說，在E2地震之中，橋梁必須要保持大震不壞。

1.5"樁基抗剪能力驗算

主墩的樁基直徑為1.8"m。在單支柱控制項之下，一共有38根直徑28"mm根鋼筋。過渡墩樁徑為1.6"m，通過利用結構地震反應能夠得到彎矩的數據，最后可以計算出單負軸力?？v向和橫向進行連接的位置有著不同荷載組合，整體范圍必須要保持在一定的范圍之內，盡可能地滿足抗震性能的具體要求。

1.6"下部結構參數變化對動力特性的敏感性分析

本篇文章對于下部結構的尺寸參數作出調整，并且分析出了這種類型的結構特性存在的影響。（1）通過將墩身高度做出調整，能夠直接決定柱內力的變化。將其調整為10"m或者更高此時墩身內力對地震力的響應在可控范圍內。其他的任何結構和設計都不用發出任何變化，只需要將10"m以下墩高做出修改。在經過對比分析之后可以發現：（2）墩高從之前的9.5"m直接上升到10"m。在第一階的內力沒有發生明顯變化，在第二階是主墩出現反對稱豎向彎矩。可見在第二階會涉及到主墩的不對稱彎曲。因為高度不斷增加，在本階段當中不良的周期會發生變化。同時它也會對于主柱的垂直力增加，墩柱受到壓彎影響。[3]模態的其他不同階段并不會影響到頻率，因為最主要的主墩參與不是很明顯。（3）如果主墩的高度降低，到8M的時候，橋墩的內力會明顯提升，基本上前6階是主墩和邊墩的震動。在第7階主墩的側向位移增大，墩的剛度增大，使得周期有一定的縮短。

1.7"板式橡膠支座計算高架橋最大地震響應

通過利用時長對于高架橋的反應譜曲線做出分析。計算順橋向和橫橋向的橋梁最大地震響應，驗算設計值是否滿足抗震要求。[5]利用彈性反應譜理論，模型施加對應的水平地震荷載，這樣就可以將支座位移時所需要用到的水平剪力K計算出來，具體公式為

式中：m為板式橡膠支座數T為支座厚度Gr為第r個支座剪切模量Jr為第r個橡膠支座面積。順橋向地震時，判定水平剪力K下產生的支座剪切變形，會使下部墩頂的位移、與上部結構的位移產生不同。根據橋墩位移相等原則，將橋墩轉換為等效截面墩，等效截面慣性矩計算公式為

式中D（x）為x處墩身慣性矩。單獨考慮r號橋墩，計算η，公式為

式中2為r號墩頂質點重力。采用單質點體系的基頻和特性參數，則第一振型的第r號橋墩，其最大地震位移響應U和加度響應φ計算公式為

式中：δ表示為單質點的體系反應譜位移。它和最大的反應值以及橋墩的高度呈現了正比例關系。σ1為第一階振型的振動疊加。ε為水平地震系數。如果橫橋向地震的情況下，對于橡膠支座上部結構進行分析。橋墩頂能夠將上部的結構橫向位移做出最大的限制。這樣的情況下，橋墩的轉換要為等效截面。順橋向和橫橋向的最大地震響應都需要做出統計。是否在板式橡膠支座變形的允許范圍之內，如果沒有超過允許值，判定高架橋滿足抗震要求，充分滿足了抗震的需求。在對于高架橋的最大地震響應數據計算完畢之后，要對于高架橋抗震計算的方式進行具體設計。

2"矮墩高架橋設計注意點

（1）低橋墩在地震力作用下處于非常不利條件，為了能夠改善結構內力，在施工條件的基礎上盡量考慮降低樁頂的高程，這樣更好地減少低橋墩的剛度。（2）直線橋梁要將上部結構進行優化（例如采用鋼結構），盡量減少橋墩受力。對于矮墩抗震的影響非常重要。（3）混凝土收縮徐變對于結構產生非常大的影響力。所以在具體設計和施工階段當中，要對于混凝土材料的具體選擇進行高度重視。

3"技術特點分析

3.1"大跨度矮墩高架橋的結構創新設計

在某一個項目當中主墩的高度為13.155"m，主跨的高度是155"m，墩跨比小于1/10，們可以將其作為跨度比較大的矮墩連續體系。整個設計之中可以利用以下措施來將橋梁的受力做出改進。（1）對樁基效應做出充分考慮。為了可以將矮墩連續橋梁的具體變形和結構內力做出計算需要對受力的主要特性進行研究。及時構建有限元分析模型，這個時候要對于樁—土—結構的相互作用做出參考。（2）中跨合龍的具體施工當中需要利用頂推力將橋墩的受力做出調節。[6]在中跨合龍之前懸臂端部需要施加一定的反頂力，這個時候可以將墩身的受力情況作出良好改善。不僅能夠將其調節到最優的狀態，而且在中跨合龍及時施加的頂推力，就可以判斷出收縮前后的橋墩內力。最終的結果可以充分表明，橋墩的受力狀態是完全合理的。（3）橋墩的臨時支撐。在進行懸臂澆筑的時候，主墩0號塊需要臨時設置好支撐。這樣懸臂澆筑的時候，不對稱施工荷載會對于上下部結構產生的影響大大降低。（4）不斷加強橋墩配筋率。在墩底最不好的位置，就是單側配置的雙排直徑32"mm的受拉鋼筋。它的縱向鋼筋配筋率達到1.29%。單側的受拉鋼筋配筋率達到0.52%。（5）中跨合龍的溫度一定要適中。橋梁具體在的區域要調查年氣溫變化的具體資料，同時根據項目的區域溫度特征來選取最適合的度數。

3.2nbsp;延性設計理論及結構本構模型處理

結構延性抗震設計的基本原理[7]為允許結構的部分構件在預期的地震作用下發生反復的彈塑性變形，這些構件被設計成具有較好的滯回延性，通過彈塑性變形耗散掉大量的地震輸入能量，從而保證了結構的抗震安全。由前一節的抗震驗算可知，在罕遇地震作用下，3＃固定墩無論縱橋向還是橫橋向均已經進入延性，且3＃墩墩底截面響應最大，對該橋墩進行延性計算分析。計算模型采用三維非線性梁單元，三維非線性梁單元是鋼筋混凝土結構非彈性分析中較為細化并接近實際結構受力性能的分析模型，應用范圍較廣。按照實配鋼筋對中墩截面進行劃分，分別對鋼筋、約束混凝土和非約束混凝土單元賦予上述彈塑性材料本構模型。其中紅色區域即為約束核心混凝土區域，灰色區域即為非約束混凝土區域。在強震作用下的彈塑性響應分析的結構的粘滯阻尼耗能采用瑞利比例阻尼，阻尼系數根據系統的質量和初始剛度確定。

3.3"抗震措施研究

3.3.1"減隔震支座

因為橋墩較矮，在地震力作用下極易發生脆性破壞，所以應及時配備減哥震支座減少橋墩受力。[4]通過利用滑動雙面球形表面，能夠將頂部的結構進行簡單移動，這樣可以對于震動能量做出釋放，能夠起到很好的抑制作用。

3.3.2"阻尼器

通過利用比較成熟的液壓粘性減震器。它主要是通過利用氣缸阻尼孔以及活塞進行組成的。在力學性能上進行分析，最常用到的單質阻尼器可以分為線性和非線性兩種，具體的抗震性能可以利用式（5）表示。

式（5）中：F為阻尼力；C為阻尼系數；v為速度；ζ為阻尼指數。在溫度不變的情況下，粘滯阻尼器的阻力一般為0。動力荷載如果能夠達到最大變形的情況下，阻尼器的功率可以直接接近0的最小值。和位移進行比較，阻尼器的最大功率能夠達到最大值。在橋上進行安裝阻尼器這個方案，它的兩側兩端和橋臺背墻之間都必須要設置好垂直黏滯阻尼器。阻尼的系數C為2"000，而阻尼器速度指數α為0.4，阻尼器噸位采用1"600"kN。

4"結語

針對大跨度矮墩橋梁抗震設計建議以下幾點措施：（1）對于結構抗震性能進行優化，可以利用粘性阻尼器將震動效應有效釋放掉；（2）設置減隔震支座，有效的將地震反應全部分散在活動橋墩和固定橋墩之間，同時利用摩擦分散擺動能量，將墩頂的彎距減少90%，這樣可以提高結構的抗震性能，大大提高橋梁使用壽命；（3）梁端要設置好縱向固定阻尼器，這樣不僅可以減少梁體的位移，而且能夠分擔縱向的地震響應。

參考文獻

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[7] 吳亞剛.橋墩剛度分配不均的梁式橋地震響應分析及減隔震研究[D].南寧：廣西大學，2018.