雙幅式和單幅式門架橋墩抗震性能對(duì)比分析

周 煒

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730030）

中國處于世界兩大地震帶即環(huán)太平洋地震帶和亞歐地震帶之間，是一個(gè)強(qiáng)震多發(fā)國家，地震的特點(diǎn)是發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、分布范圍廣、傷亡大、災(zāi)害嚴(yán)重。公路橋梁是生命線系統(tǒng)工程中的重要組成部分，橋梁結(jié)構(gòu)在地震中的可使用性和完整性，是對(duì)整個(gè)生命線的有力保證。因此，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)橋梁抗震的研究，采取合理的橋梁結(jié)構(gòu)和有效的橋梁抗震措施，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全，減少地震損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汶川地震受損橋梁6 140余座，橋梁的震害慘狀警示著工程設(shè)計(jì)人員在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮地震的危害性，特別是山區(qū)高速公路橋梁，由于地質(zhì)復(fù)雜多變，地形縱、橫向高差大，存在著許多斜坡、陡崖，同時(shí)地質(zhì)上多有崩塌、滑坡等，應(yīng)更加注重橋梁抗震性能設(shè)計(jì)[1-2]。

在橋梁設(shè)計(jì)中，橋梁下部結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)山區(qū)地形、地質(zhì)情況，結(jié)合橋梁受力，合理布置，做到安全、耐久、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀?，F(xiàn)階段橋梁地震響應(yīng)分析方法主要有反應(yīng)譜法，時(shí)程分析法[3]，Pushover方法[4-5]，擬靜力法等。

1 工程概況

某山區(qū)高速公路特大橋，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，橋梁位于雙幅式路基段，橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)采用雙幅四墩柱型式。在橋尾處橋梁橫向地形存在陡坡，根據(jù)邊坡地質(zhì)地形條件及岸坡穩(wěn)定性分析成果，擬采用雙幅式門架墩和單幅式門架墩2種方案[6]。

方案一為左右幅橋梁方案，62#、63#、64#、65#橋墩采用雙幅式門架墩，如圖1所示。

圖1 雙幅式門架墩

方案二為左幅路基右幅橋，右幅62#、63#、65#橋墩加長帽梁變?yōu)閱畏介T架墩，如圖2所示。

圖2 單幅式門架墩

雙幅式門架墩和單幅式門架墩橫斷面如圖3、圖4所示。

圖3 雙幅式門架墩

圖4 單幅式門架墩

雙幅式門架墩和單幅式門架墩具體尺寸見表1。

表1 門架墩尺寸單位：m

2 橋梁抗震有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 有限元模型建模

根據(jù)《中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），工程區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.1 g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，橋梁場(chǎng)地類型為Ⅱ類場(chǎng)地。

橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能設(shè)計(jì)采用兩水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)的抗震設(shè)計(jì)思想。第一階段的抗震設(shè)計(jì)，采用彈性抗震設(shè)計(jì)，第二階段的抗震設(shè)計(jì)，采用延性抗震設(shè)計(jì)方法，按能力保護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算原則。第一階段的抗震設(shè)計(jì),即對(duì)應(yīng)E1 地震作用[7]的抗震設(shè)計(jì)。第二階段的抗震設(shè)計(jì)，即對(duì)應(yīng)E2 地震作用[8]的抗震設(shè)計(jì)，保證了結(jié)構(gòu)具有足夠的延性能力，通過驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)的延性能力大于延性需求。通過抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的位移能力[9]。

本橋梁采用的是裝配式結(jié)構(gòu)，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020），確定本橋梁為B 類橋梁。橋梁抗震基本烈度為7 度，設(shè)防措施等級(jí)為8度等級(jí)[10]。

橋梁的設(shè)防目標(biāo)按照《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020）中確定的B類橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)，見表2。

表2 抗震設(shè)防目標(biāo)

采用SAP2000 有限元分析軟件建立部分橋梁計(jì)算模型，其中主梁、橋墩、樁基和系梁等均采用梁單元進(jìn)行模擬[11]。支座采用彈簧單元進(jìn)行模擬。支座的縱向剪切剛度按公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則中的要求進(jìn)行計(jì)算。為了考慮樁土相互作用[12]，參考該橋的地勘資料，采用M 法計(jì)算土彈簧的剛度，選擇M動(dòng)=2×M靜進(jìn)行計(jì)算。有限元模型如圖5、圖6所示。

圖5 雙幅式門架墩有限元計(jì)算模型

圖6 單幅式門架墩有限元計(jì)算模型

對(duì)抗震計(jì)算模型進(jìn)行橋梁動(dòng)力特性分析，橋梁的前十階頻率見表3所列。

表3 橋梁前十階振型單位：Hz

2.2 加速度反應(yīng)譜

橋梁抗震設(shè)計(jì)采用相關(guān)規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。阻尼比為0.05的水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜S由式（1）確定：

式中：Tg為特征周期（s）；T為結(jié)構(gòu)自振周期（s）；Smax為水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值。

水平設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜最大值由式（2）確定

式中：Ci為抗震重要性系數(shù)；Cs為場(chǎng)地系數(shù)；Cd為阻尼調(diào)整系數(shù)；A為水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值。

橋梁的阻尼取值為5%。

在橋梁具體分析中分別選取了前100 階陣型，按CQC 法進(jìn)行組合，地震反應(yīng)譜曲線如圖7、圖8所示。

圖7 E1地震反應(yīng)譜曲線

圖8 E2地震反應(yīng)譜曲線

2.3 E1、E2地震分析

根據(jù)恒載和地震作用下對(duì)各橋墩與最不利受力單柱的控制截面進(jìn)行彎矩-曲率分析，得出各控制界面的初始屈服彎矩和等效屈服彎矩，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能驗(yàn)算，墩柱的初始彎矩為截面最外層鋼筋首次屈服（考慮相應(yīng)軸力）時(shí)對(duì)應(yīng)的彎矩，等效屈服彎矩為根據(jù)截面M-φ分析（考慮相應(yīng)軸力），把截面M-φ曲線等效為雙線性所得到的等效屈服彎矩[13]。

根據(jù)表4—表7 可以看出，在E1、E2 地震作用下，橋墩、樁基礎(chǔ)的主要截面均基本保持彈性，滿足B 類橋梁在E2 地震作用下不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時(shí)加固后可供維持應(yīng)急交通使用的抗震設(shè)防的目標(biāo)要求。

表4 雙幅式門架墩E1地震作用下墩柱主要截面內(nèi)力驗(yàn)算表

表5 雙幅式門架墩E2地震作用下墩柱主要截面內(nèi)力驗(yàn)算表

表6 單幅式門架墩E1地震作用下墩柱主要截面內(nèi)力驗(yàn)算表

表7 單幅式門架墩E2地震作用下墩柱主要截面內(nèi)力驗(yàn)算表

3 橋梁雙幅式門架墩與單幅式門架墩抗震對(duì)比分析

E1 地震作用下，橋梁順橋向、橫橋向雙幅式門架橋墩彎矩安全系數(shù)與單幅式門架墩橋墩彎矩安全系數(shù)對(duì)比，如圖9、圖10所示。

圖9 順橋向橋墩彎矩安全系數(shù)

圖10 橫橋向橋墩彎矩安全系數(shù)

E2 地震作用下，橋梁順橋向、橫橋向雙幅式門架橋墩彎矩安全系數(shù)與單幅式門架墩橋墩彎矩安全系數(shù)對(duì)比，如圖11、圖12所示。

圖11 順橋向橋墩彎矩安全系數(shù)

圖12 橫橋向橋墩彎矩安全系數(shù)

由以上各圖可知，在橫向陡坡處橋梁，雙幅式門架墩橋墩墩高差較小，橋墩在E1 和E2 地震作用下，較單幅式門架墩安全系數(shù)更高，抗震效果更好。

4 結(jié)語

文章以某山區(qū)高速公路特大橋?yàn)槔?，在橋梁橫向地形受限的情況下，提出雙幅式門架墩和單幅式門架墩方案，采用有限元軟件建立了雙幅式門架墩、單幅式門架墩空間抗震有限元分析模型，分析了橋梁動(dòng)力特性，根據(jù)橋址區(qū)地震動(dòng)參數(shù)，得到橋梁在E1 和E2 地震作用下的時(shí)程波，根據(jù)橋梁地震反應(yīng)分析結(jié)果，對(duì)橋梁墩柱的抗震性能進(jìn)行了驗(yàn)算，通過能力/需求的對(duì)比分析，得出雙幅式門架墩和單幅式門架墩均滿足結(jié)構(gòu)抗震要求，但從安全儲(chǔ)備的角度來看，雙幅式門架墩的抗震性能更具優(yōu)勢(shì)。