高烈度地區山區橋梁抗震設計探討

王堅

（中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100089）

1 引言

隨著我國交通設施的不斷完善，高烈度山區公路橋梁的建設規模越來越大。在地震作用下，橋梁工程容易出現各種順橋向和橫橋向病害，如支座大變形剪切、落梁破壞、地基失效等，可能造成一定的經濟損失和人員傷亡。分析橋梁地震破壞原因主要有抗震設防標準低、橋梁結構自身抗震能力不足、橋梁結構所處的場地不利等。鑒于此，國內外很多學者借助數值模擬、理論推導等手段分析了地震力大小及其對橋梁抗震響應的影響，但是并未形成統一的理論來指導橋梁抗震設計，給橋梁安全運營帶來一定的隱患[1]。因此，進一步研究高烈度地區橋梁的地震力及抗震設計方法具有重要的工程價值。

2 高烈度山區橋梁抗震設防目標及地震力分析

2.1 橋梁抗震設防目標

山區橋梁根據單跨跨徑、所屬公路等級等劃分為A 類、B類、C 類、D 類4 個抗震設防類別，其抗震設防要求依次降低。在E1 和E2 地震作用下，A 類、B 類和C 類橋梁選擇兩水準抗震設防，D 類橋梁選擇一水準抗震設防作用即可，具體設防目標如表1。

表1 公路橋梁抗震設防目標

2.2 地震作用選擇

2.2.1 地震作用方向

JTG/T 2231-01—2020《公路橋梁抗震設計規范》，公路橋梁地震一般可只考慮水平向地震作用。對于A 類橋梁、抗震設防烈度為Ⅸ度的橋梁、抗震設防烈度為Ⅷ度且豎向地震效應明顯的橋梁應同時考慮水平向地震作用和豎向地震作用[2]。

2.2.2 地震作用分量組合

采用反應譜法進行橋梁地震力分析時，需分別計算X 方向、Y 方向、Z 方向的最大效應Ex、Ey、Ez，再按式（1）計算總的最大地震作用效應E[3]。

采用動力時程分析法進行橋梁地震力分析時，應同時輸入至少兩個方向分量的一組地震動時程來計算地震作用效應。

3 高烈度山區橋梁構造及減隔震設計

3.1 墩柱構造細節設計

3.1.1 橫向箍筋

橫向箍筋一方面是用來約束橋梁墩柱塑性鉸區域內的混凝土，增大混凝土的抗壓強度、抗剪強度和延性；另一方面是為了避免墩柱內的縱向鋼筋壓曲。橫向箍筋間距不宜過大或過小，箍筋間距小，加固效果固然好，但鋼筋造價提升；箍筋間距過大，不能充分發揮作用。橋梁墩柱箍筋間距S 建議按式（2）計算：

式中，ds為墩柱縱向鋼筋的直徑，mm；fy為墩柱縱向鋼筋的屈服強度，kPa；fu為墩柱縱向鋼筋的極限強度，kPa。

3.1.2 縱向受壓鋼筋

縱向受壓鋼筋數量會直接影響混凝土墩柱的延性，從而影響其抗震性能，故縱向鋼筋的配筋率不宜過小或過大。縱向鋼筋配筋率過小，地震作用下結構延性不滿足要求；縱向鋼筋配筋率過大，不利于墩柱混凝土的澆筑、振搗等[4]。

對于高烈度區地區的山區橋梁，圓形截面和矩形截面的縱向鋼筋最小配筋率ρs，min可分別按式（3）和式（4）計算：

式中，ηk為軸壓比，無量綱；ρt為縱向鋼筋配筋率，%；fck、fyh分別為混凝土抗壓強度和箍筋抗拉強度，MPa。

3.2 減隔震設計

高烈度山區橋梁工程中常用減隔震支座（鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺式減隔震支座等）來延長橋梁結構自振周期、增大阻尼，以消耗地震能量、降低地震力對橋梁結構的影響。但是，減隔震支座一般應用于剛性墩、且橋墩高差較大的橋梁。對于基礎土層性能較差、可能液化、場地特征周期比較長的場地，采用減隔震支座無法有效避開地震波能量集中的區間，減隔震效果較差[5]。

3.3 抗震措施

在地震作用下，橋梁結構破壞機理復雜，在設計時不能完全依靠相關規范或標準中的定理計算方法。尤其是高烈度區的橋梁結構，更應該重視橋梁抗震構造措施的使用。橋梁結構抗震措施等級應綜合考慮橋梁類別、地震水平加速度等因素，按表2 確定。

表2 高烈度地區橋梁抗震措施等級劃分

4 高烈度山區橋梁抗震實例

4.1 工程概況

該橋梁設計速度80 km/h，設計荷載為公路I 級，抗震設防烈度取Ⅷ度。橋梁主橋長270 m，跨徑組合為70 m+130 m+70 m。上部結構為預應力混凝土連續箱梁橋，箱梁頂板寬16 m，底板寬11 m，懸臂長度為2.5 m，跨中梁高4.2 m，支點梁高10 m，現澆部分梁高按1.8 次拋物線規律變化，如圖1 所示。下部結構主墩墩身擬采用單薄壁空心墩或雙薄壁空心墩（根據橋梁抗震比選）。

圖1 主梁橫斷面示意

4.2 計算模型建立

4.2.1 模擬單元及接觸關系

在MIDAS Civil 軟件中，梁單元有2 個節點，每個節點有6 個自由度（X、Y、Z 方向平動自由度和X、Y、Z 方向的旋轉自由度），能夠分析構件的拉、壓、剪、彎、扭的變形。因此，本文選擇MIDAS Civil 軟件中的PSC 變截面梁單元來模擬該橋梁上部結構。下部結構采用柱單元模擬。

4.2.2 網格劃分

在MIDAS Civil 軟件中，網格尺寸及數量對計算效率、計算結果有直接影響。網格尺寸過小，網格數量多，計算所耗費的時間長，且模型容易不收斂；網格尺寸過大，無法保證計算結果的準確性。對于橋梁結構，各部分構件形狀不規則，網格劃分難度大。

4.2.3 設防地震

該橋梁抗震分析采用反應譜法，E1 地震作用和E2 地震作用所對應的地震譜主要參數見表3。

表3 地震反應譜參數

4.3 橋梁結構地震響應

4.3.1 橋墩形式對橋梁地震響應的影響

利用MIDAS Civil 軟件分別計算了單薄壁空心墩橋梁結構和雙薄壁空心墩橋梁在E2 地震作用下的墩頂和墩底的剪力和彎矩，計算結果見圖2。

由圖2 計算可知：在E2 地震作用下，雙薄壁橋墩橋梁的剪力和彎矩均小于單薄壁空心墩橋梁。在墩頂位置，雙薄壁空心墩可以使橋梁彎矩和剪力減少20%左右；在墩底位置，雙薄壁空心墩可以使橋梁彎矩和剪力減少約20%。這說明，雙薄壁空心墩能減小橋梁的地震響應，提高橋梁抗震性能。

4.3.2 支座縱向約束對橋梁地震響應的影響

該橋梁抗震支座采用盆式橡膠支座，在縱向有一定的彈性約束。利用MIDAS Civil 軟件計算了支座縱向剛度為0、0.5×104、1×104、1.5×104、2×104kN/m 時橋梁跨中位移，計算結果見圖3。

由圖3 計算可知：在E2 地震作用下，橋梁跨中位移隨抗震支座縱向剛度的增加而降低，且兩者之間基本呈線性負相關關系。抗震支座縱向剛度每增加0.5×104kN/m，跨中位移平均降低值約1.5 mm。

5 結語

本文研究了高烈度山區橋梁抗震分析方法、設計要點等，并以某山區大跨連續剛構橋為研究對象，計算了其地震響應，主要得到以下結論：（1）山區橋梁地震力分析常用的方法為反應譜法、時程分析法等動力分析方法；（2）高烈度山區橋梁抗震設計時要重視地震作用分量組合、橫向箍筋間距、縱向鋼筋配筋率等，并做好減隔震支座設計；（3）雙薄壁橋墩橋梁的抗震性能更好，其在地震作用下的剪力和彎矩均小于單薄壁空心墩橋梁；（4）抗震支座縱向剛度越大，橋梁在地震作用下的跨中位移越小。