高烈度区装配式规则桥梁抗震计算方法的分析

储昭汉

(上海市政工程设计研究总院(集团)第六设计院有限公司 合肥市 230000)

我国6度及以上地震烈度区占总国土面积的79%，8度及以上的高地震烈度区则占8%，这类区域往往会对桥梁抗震设计提出较高挑战，而为了保证装配式规则桥梁在高地震烈度区的抗震设计质量，正是围绕高烈度区装配式规则桥梁抗震计算方法开展具体研究的原因所在。

1 问题分析

1.1 问题探讨

由于平原、丘陵等地区的公路桥梁墩身一般不高，因此设计人员多采用规则桥梁布置，相较于非规则桥梁，二者在地震动响应层面存在显著差异，因此桥梁的抗震设计必须得关注桥梁规则性，同时还需要采取针对性较强的方法。不同于非规则桥梁多振型影响，规则桥梁可以采用单振型模型分析其基本振型控制结构的动力响应，事实上我国桥梁抗震设计规范涉及的相关桥梁抗震计算方法便多针对规则桥梁。深入分析不难发现，合理的抗震分析方法可较好保证抗震计算精度，而为了较好保障高烈度区装配式规则桥梁抗震效率、精度，正是研究必须解决的问题[1]。

1.2 工程概况

为提升研究的实践价值，选择了某高烈度区一级公路上的S桥梁作为研究对象，该桥梁的抗震设防烈度为8度，桥位没有跨线通航要求，场地条件为Ⅰ类，基本峰值加速度、区划图上的特征周期分别为0.3g与0.4s。为保证S桥梁的质量和刚度平衡，该桥梁采用了等桥面宽度、等墩高、等跨径的结构形式，为提高行车平稳舒适程度，在深入分析地质条件后，设计人员选择了先简支后结构连续预应力混凝土T梁。考虑温度可能对S桥造成的影响，且温度影响控制联长在160m内，因此全联在桥台处设置了80型伸缩缝2道，S桥上部结构则采用了5跨25mT梁，其桥面宽度为12m。

S桥的桥墩高度需尽可能相近，这是为了适应连续的上部结构，因此选择了1.4m×1.4m双柱矩形墩，桥墩的高度为10m。盖梁、墩柱采用了C40混凝土，主梁采用了C50混凝土，采用了HRB335钢筋作为墩柱受力钢筋。为实现均匀的地震力分配，采用了可以吸收地震能量的板式橡胶支座，型号为GJZ450×500×114(CR)，数量为5个且需要全联各墩台上，同时需根据各墩串联体系的水平刚度实现按比例进行的水平地震力分配。为避免S桥出现横桥落梁问题，需设置防震挡块于T梁两侧，并加设防震橡胶块于防震挡块梁板侧，盖梁两端挡块的高度、宽度分别为60cm与40cm，图1为S桥的桥型布置图[2]。

2 抗震计算

2.1 计算方法

S桥属于典型的高烈度区装配式桥梁，因此抗震计算需首先明确其规则性，结合《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，可确定S桥抗震设防类别为B类，属于单跨跨径在150m内的一级公路上桥梁。对于E1地震作用下的S桥抗震设计，需保证S桥承载力满足要求，地震动输入方向带来的明显方向性桥梁破坏也需要同时得到重视，考虑到S桥属于采用顺桥向控制设计的直线桥梁，因此本研究的抗震计算仅围绕顺桥向抗震计算展开[3]。结合表1，可确定S桥属于典型的规则桥梁，因此抗震分析的开展可采用单振型反应谱方法。

表1 桥梁规则性判断

在应用单振型反应谱方法的S桥抗震分析中，为求出结构的基本周期及振型，首先需确定结构的计算简图并运用动力学分析方法，最终方可求得地震力。S桥的上、下部结构采用板式橡胶支座连接，上部结构会对桥墩振动施加约束，而结合桥梁震害调查不难发现，S桥的梁存在较大的纵、横向位移，其支座也出现了一定程度的破坏，这可以证明上部结构对桥墩振动的约束效果较为有限，而结合同类研究经验，本文研究开展的规则桥梁抗震计算仅围绕单墩模型展开[4]。

2.2 计算参数

作为典型的装配式规则桥梁，S桥的下部结构自重远小于上部结构自重，因此桥梁单振型计算模型的建立需构建典型的“倒摆体系”，即在支座顶部集中布置上部质量。在墩顶作用一个水平集中力，其静力挠曲线便可以通过结构力学方法求得，具体公式如下：

Xz=z2(3H-z)/6EI

(1)

式中的H、z分别为墩高、计算点到墩底的距离，结合式(1)即可依次开展质量参数、刚度参数的计算。考虑到S桥的地基刚度较大且地基变形较小，因此本文研究忽略地基变形，结合式(1)即可确定墩身重力换算系数为0.24，一联上部结构、下部结构的总重力则分别为25340kN与3974.4kN。

式(2)为第i号墩台处支座的抗推刚度计算公式、式(3)为第i号墩的抗推刚度计算公式，式(2)、式(3)的计算结果分别为11842N/m、6.24×104kN/m。

(2)

(3)

结合式(2)、式(3)，可求得相应于一联上部结构所对应的全部板式橡胶支座抗推刚度之和、桥墩抗推刚度之和，分别为7.1×104kN/m、2.5×105kN/m。

设计的灵魂是创新而不是重复。因此，在设计过程中，一方面要继承优秀的设计风格和流派，另一方面，要有创新精神，以显示酒店设计的个性与设计的独特性，而不是机械地搜集和拼凑已有的模式，这样，继承才能是创新的。

2.3 地震作用

结合式(4)所示的《公路桥梁抗震设计细则》提供的水平设计加速度反应谱，可通过计算得出E1设计加速度反应谱最大值为2.25CiCsCdA，即0.30375g，结合这一计算结果即可开展E1设计加速度反应谱函数的建立。

(4)

2.4 基本周期及反应谱值

结合E1设计加速度反应谱函数，可进行结构基本周期、反应谱值的计算，按照2个质点体系模型进行桥墩基本周期计算，可确定结构基本圆频率、结构基本周期分别为21.23s、1.36s；由于结构基本周期小于Tg，可确定基本周期对应的反应谱值为0.067g。

2.5 桥墩内力

结合上述计算，可得出如下计算结果：

(1)第i号墩的组合抗推刚度=9953.14kN/m。

(2)第i号墩墩顶板式橡胶支座顶面处受到的上部结构带来的水平地震力= 266.13kN。

(4)第i号墩墩顶板式橡胶支座顶面处总水平地震力=332.7kN。

结合上述计算结果，即可求得S桥在E1地震作用下的桥墩内力，其中剪力V、弯矩M分别为166.4kN与1979.6kN·m[5]。

2.6 计算方法优选

为明确单振型反应谱方法的应用效果，选择了多振型反应谱法开展同类计算开展计算方法优选，优选过程的多振型反应谱法计算采用了Midas/Civil软件，采用墩底固结作为边界条件，同样忽略地基变形，因此可得出桥墩内力的剪力V、弯矩M分别为173.14kN与2138.99kN，表2为计算方法优选比较结果。

表2 计算方法优选比较结果

结合表2开展分析不难发现，两种计算方法存在一定差异，这种差异主要源于动力学方程不同，而由于二者计算结果相差不大，考虑到单振型反应谱方法的应用较为简单，因此认为该方法具备更好的有效性和实用性。

2.7 桥墩配筋

在E1地震作用下，S桥梁主体处于弹性工作状态，这使得基本不会出现损伤，而作为典型的桥梁强度薄弱部位，桥墩潜在塑性铰区的抗弯强度验算需得到重点关注。S桥原设计采用了80根Φ25的HRB335钢筋用于纵向受力，配筋率为2.0%，采用了间距100mm、8肢12的HRB335钢筋作为箍筋，但数量较多的钢筋和箍筋可能导致施工困难，因此设计人员可结合上述抗震设计采用高强度钢筋作为受力纵筋，如HRB400、HRB500，由此即可更好保证S桥梁的抗震性能并方便施工顺利进行。

3 结论

综上所述，高烈度区装配式规则桥梁抗震计算方法具备较高实用性，在此基础上，本文涉及的计算方法、计算参数、地震作用、基本周期及反应谱值、桥墩内力、计算方法优选等内容，则提供了可行性较高的桥梁抗震计算方法，而为了进一步提高计算准确性，简化单振型反应谱法的合理应用必须得到重视。