基于有限元的横向岩质陡坡梁桥地震受力分析及对策

■郑 铮

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

0 引言

在海西高速公路的建设发展过程中，建于横向岩质陡坡的高架梁桥因能满足公路线形、环保以及人文的要求得到了大量运用。但该类地形的桥梁结构受力情况是复杂的，尤其在遭受地震作用时，更易发生严重的破坏。

国内外学者的研究大多限于平地地形的动力响应以及规则桥梁的地震特点范围，对于岩质陡坡梁桥的整体抗震性能研究，尤其对于该种不利地形下横向墩高存在差异的桥梁抗震研究尚不多见。范立础等[1]进行了多跨连续梁桥的顺桥向动力特性研究；卓卫东等[2]针对等墩高连续梁桥指出了传统抗震设计中的不足，并与减隔震梁桥进行了比较分析。我国的抗震设计规范对于该类不利地形的结构抗震设计进行了考虑，其地震影响增大系数可达1.6[3～5]，因此对于该类桥梁进行整体的抗震性能研究是亟待开展的课题之一。

1 工程背景

实桥案例为福建省沿海地区某高速公路桥梁，上部结构采用4×35m 部颁预应力混凝土连续T 梁，梁高2.3m，桥宽16.75m。梁体采用C50 混凝土，桥墩与桩基采用C30 混凝土，下部结构采用双柱墩配桩基础，墩与桩直径均为1.6m。U 台位置采用四氟滑板支座，其余各墩采用板式橡胶支座。受到横向陡坡地形影响，横桥向高墩和矮墩的墩高分别为10m 与4.5m，各纵桥向高矮墩墩高相近。据剪切波速测量结果，场地覆盖层等效剪切波速333m/s，按《公路桥梁工程抗震设计细则》，场区为中硬场地土。场地覆盖层厚度1.7m，为Ⅱ类建筑场地。桥址区场地稳定性较好，持力层多为中风化基岩，其各项物理力学指标较高。

图1 桥梁立面图与横断面图

2 动力模型和地震波输入

采用MIDAS Civil2012 建立全桥有限元模型(图2)，采用空间梁单元模拟主梁与桥墩，为考虑桥墩的非线性受力，墩柱截面类型采用纤维截面模拟，结构阻尼比为0.05。采用一般连接形式模拟支座约束，钩单元模拟横向挡块，因联端刚性桥台刚度较大、变形较小，仅考虑桥台支座的影响；根据地质情况，岩质陡坡地基刚性较大，在墩底位置采用固结的做法会略增大结构内力的反应，缩小结构的实际周期，因此应将桥墩延长约3 倍桩径固结，以贴近实际结构的情况[6]。选取具有Ⅱ类场地特征的El Centro 基岩波（1940，南北向），分别于顺桥向与横桥向输入，取时程计算结果予以分析，在保证地震记录原有频谱特性的前提下，参照7 度抗震设防烈度对其峰值进行修正，设计基本地震加速度为0.15g。

图2 全桥有限元分析模型

柱截面纤维划分如图3 所示，截面径向等分为14份，周向等分为64 份。约束混凝土采用Mander 模型，钢筋采用双折线模型，以便于准确的模拟桥墩非线性行为。图4 为横向等墩高7.5m 情况下2#墩墩底截面的弯矩曲率曲线，由图4 中数据可得其对应的初始屈服点A 弯矩为4807.5kN·m，承载能力极值B 为6230.43 kN·m。当结构内力超过极限弯矩时，将发生严重破坏，导致结构产生变形甚至失效。

图3 墩柱纤维截面划分

图4 2#墩墩底截面弯矩曲率曲线

3 结构地震动内力分析

本桥在横桥向与纵桥向的结构基本周期分别为1.40s 与1.64s。分别沿横桥向与纵桥向导入地震波，进行时程分析计算，经计算纵桥向3 个桥墩中，2#桥墩的墩底内力最大。因此主要针对此桥墩底部单元，比较横桥向高墩、矮墩地震内力响应。

3.1 横桥向地震动分析

图5 横桥向地震动作用下2#墩横向高墩与矮墩墩底截面内力图

图5 给出了横桥向地震动作用下2#陡坡桥墩底弯矩与剪力的时程曲线，从数值结果可以得出，在横桥向地震动作用下，矮墩的墩底弯矩极值为3387kN·m，墩底剪力极值为615.40kN；高墩的墩底弯矩极值为1571kN·m，较矮墩小了53.62%，墩底剪力极值为191.3kN，较矮墩小了68.9%。由此可得，在横桥向地震动作用下，陡坡梁桥下部结构中的矮墩因自身刚度比例的特点，会承受更多的地震内力，相对于高墩的自身受力而言，该增大作用是十分显著的。

3.2 纵桥向地震动分析

图6 为纵桥向地震动作用下陡坡梁桥墩底弯矩与剪力的时程曲线图，从数值结果可以得出，矮墩的墩底弯矩极值为6590kN·m，墩底剪力极值为576.4kN；高墩的墩底弯矩极值为3908kN·m，较矮墩小了40.7%，墩底剪力极值为205.3kN，较矮墩小了65.4%。由此可得，在纵桥向地震动作用下，横向陡坡梁桥下矮墩会产生更剧烈的地震内力响应，且其极限弯矩超过了弯矩曲率曲线得到的截面屈服弯矩，届时桥墩将产生明显的塑性破坏，甚至引起垮塌。

图6 纵桥向地震动作用下2#墩横向高墩与矮墩墩底截面内力图

3.3 墩顶位移漂移率比较

墩顶位移漂移率为墩顶位移与桥墩墩高的比值，是墩柱构件对应于不同性能水准的变形能力，并且与长细比、轴压比、纵筋率、配箍率等墩柱构件设计参数有关的变量。图7 给出了2#墩中高矮墩纵桥向和横桥向的墩顶位移漂移率，由其中数据可得，对于该连续梁桥，纵桥向输入地震动会产生更高的墩顶漂移率，因此纵桥向的结构响应是抗震设计的重点；对于横向陡坡梁桥，纵桥向输入地震动时，高墩与矮墩的漂移率都高于同类常规平地地形梁桥的桥墩漂移率，该不利地形会引起结构在地震作用时产生更为严重的损伤；两种地震波输入情况下，陡坡梁桥中的矮墩漂移率最高，最大值可达0.46%，其抗震延性设计应当予以单独的重视。

图7 纵桥向与横桥向墩顶漂移率

4 设计对策

针对陡坡梁桥矮墩在地震作用下的受力特点，本文提出施工措施，在陡坡处不大开挖的情况下，通过在矮墩桩周预留空隙（图8），改善桥墩刚度差过大的不利影响，降低矮墩刚度，改善桥墩受力。其大致步骤如下：

图8 施工措施示意图

(1)施工时通过“双护筒”法或“护壁+钢护筒”法在矮墩桩周预留空隙。桩基顶在成孔时，处理长度范围的成孔直径比常规大约15～20cm。

(2)桩砼浇注前，把带有封堵橡胶圈的钢护筒定位好。

(3)放置钢筋笼，浇注桩基砼。

(4)桩基施工完成后，预留空隙处填塞泡沫层或者高弹性橡胶垫层。

图9 纵桥向地震动作用下矮墩桩侧处理前后内力图

通过计算可得，矮墩桩周经过处理后的结构周期为1.77s，相对原结构延长了7.9%；该施工措施可以减少原陡坡梁桥的纵桥向矮墩地震内力作用，其中墩底弯矩为6092kN·m，相对减少7.6%，墩底剪力为530.9kN，相对减少7.9%；当结构产生塑性铰以后，采取该施工措施处理过的矮墩墩底的内力时程曲线值小于处理前的情况。

5 结论与建议

根据本文的研究与工程实例分析，可以得到以下几点结论：

（1）对于横向陡坡梁桥而言，其矮墩在地震作用下会产生更大的内力反应，设计中应予以重视，在抗震设计时应与同类常规平地地形梁桥有所区别，调整相应的配筋率，加强延性设计，提高抗震性能。

（2）地震作用下，横向陡坡梁桥中矮墩会产生较大的墩底剪力，应加强桥墩塑性铰区域的抗剪设计。

（3）横向陡坡梁桥的横桥向地震动作用能达到纵桥向50%以上，设计时应适当加大挡块的尺寸及增加结构配筋，防止落梁现象的产生。

（4）矮墩采用预留空隙的施工措施可以减少地震作用下横向陡坡梁桥中矮墩的内力响应。

[1]周光伟，李建中，范立础.多跨连续梁桥纵桥向动力特性研究及其地震反应谱简化分析[J].上海：同济大学.

[2]卓卫东，孙颖，谷音.长大公路混凝土连续梁桥抗震方案比选[J].土木工程与管理学报，2011，38(3)：313-321.

[3]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[4]公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008).北京：人民交通出版社，2008.

[5]城市桥梁抗震设计规范(CJJ 166-2011）.北京：人民交通出版社，2011.

[6]普瑞斯特雷，塞勃勒，卡尔维.桥梁抗震设计与加固[M].北京:人民交通出版社,1997.