地震高烈度地区高墩预制桥梁抗震性能分析

张军

【摘 要】 常见高墩预制桥梁结构形式为多跨简支结构、板式橡胶支座及桩柱式基础。在高烈度地震下的防落梁、能力保护构件性能问题威胁桥梁整体抗震性能。文章以某全长1 083 m，最高墩46.3 m的城市高墩预制桥梁为背景，对高墩预制桥梁结构进行了抗震性能分析以及对抗震设计优化。分析结论可为同类桥梁抗震设计提供参考。

【关键词】高墩; 抗震; 能力保护构件; 优化设计

目前，多级设防的抗震设计思路已被广泛接受。结构抗震设计方法由原来的单一设防水准一阶段设计逐渐发展两水准或三水准设防两阶段设计、三阶段设计，以及多水准设防、多性能目标准则的基于性能的抗震设计方法。其中，分别采用对应于重现期475年的E1地震作用和重现期2500年的E2地震作用进行两水准设防，两阶段设计的抗震设计方法（两水平的抗震设计方法）被广泛应用，为我国CJ 166-2011《城市桥梁抗震设计规范》（本文后续称“规范”）采用的设计方法。

城市高墩预制结构桥梁下不同于现浇结构桥梁，预制结构桥梁通常采用板式橡胶支座，相比起现浇桥梁通常采用可约束固定的盆式支座而言，地震作用下的梁体位移更大;而高墩结构通常在E2地震作用下进入塑性，其塑性铰区的性能需要进行研究。而作为能力保护构件的桥墩抗剪、盖梁可能需要增强构造或者配筋，以实现能力保护构件设计原则。

1 工程概况

某城市快速路桥梁，设计车速80 km/h;地震基本烈度Ⅶ度，地震動加速度峰值系数0.1g。全桥共10联：（1×30+3×40+4×40+4×25+5×25+4×25+4×40+4×40+1×25+4×25） m，单幅标准桥宽12.5 m;上部结构采用除第1孔采用应力混凝土现浇箱梁外，其它均为预应（后张）简支T梁，桥面连续;下部结构桥台座板台，扩大基础。27号～31号桥墩采用空心变截面墩，其余桥墩采用柱式墩，桥墩采用桩基础。根据规范，该桥梁抗震设防分类为乙类，在E1地震作用下应使结构处于弹性范围，E2作用下允许有限损伤（图1）。

2 抗震分析

2.1 抗震分析模型

本桥全长1 081.5 m，若全桥建模则模型体量巨大，分析困难。考虑耦联作用及模态影响，选取第2～3、7～10联为高墩（>30 m）区域，需重点关注其抗震性能，其余联由于墩高较矮（或为盖梁+桩基模式），其地震作用起控制作用，可作为边界条件进行建模。桥梁分左、右幅，左幅略宽于右幅，取左幅进行建模。

在桥梁的地震反应分析中，为了获得准确的地震响应结果，需模拟桩-土效应，其弹簧刚度根据土层状况、土层刚度和桩的布置形式按静力等效的原则计算。采用m法模拟土弹簧刚度时，地基系数的比例系数m在JTG 3363-2019《公路桥梁地基与基础设计规范》中取值范围较大，可参考《地基系数的比例系数m的确定》[1]，以土的变形模量E0作为m取值。

25 m跨T梁支座采用GBZJ350×450×69（CR）、GBZJH350×450×71（CR）;40 m跨T梁支座采用GBZJ400×450×84（CR）、GBZJH400×450×86（CR）;现浇箱梁采用GPZ（II）-4.5-GD/SX/DX支座。支座线弹性刚度取值见表1。

采用MIDAS软件进行建模计算，以顺桥向为X轴，横桥向为Y轴，竖向为Z轴。全桥分两部分建模，1～4联有限元空间模型如图2所示。

采用反应谱法进行抗震分析，并分别考虑E1地震和E2地震作用下的结构反应。采用Lanczos法计算结构前150阶自振频率，并保证顺桥向振型参与质量达到99.72 %，横桥向振型参与质量达到99.72 %，满足规范要求。

2.2 支座位移分析

罕遇地震作用下，需对支座橡胶厚度和抗滑稳定性能进行验算，确保支座具有足够的抗水平位移能力，避免落梁现象。

本桥常遇E1地震+恒载+温度效应作用下，水平位移和滑动力验算均无法通过规范要求，即梁体存在滑落风险（表2、表3）。

以上结果可见，E2作用下，支座的相对位移和滑动力进一步增大，难以满足规范要求。大量高烈度地震区预制桥梁计算表明，使用板式橡胶支座的桥梁，地震作用下均存在落梁风险，对此类桥梁建议增设防落梁措施。

预制T梁防落梁通常有以下措施：①梁底安装防落梁缓冲链;②梁端设置拉杆;③横向设置挡块;④采用高阻尼隔震橡胶支座。以上方案中前三者为构造措施，采用高阻尼橡胶支座则是通过改变结构刚度和阻尼特性来改善梁体位移。

本桥进行优化设计时，除了采取构造措施确保防落梁，还采用了高阻尼隔震橡胶支座。25 m跨T梁采用HDR（I）-370×420×187-G1.0型;40 m跨T梁采用HDR（I）-420×420×187-G1.0型。

由于高阻尼隔震支座容许剪切方向屈服，因此仅控制剪切方向位移即可，经过验算所有支座剪切位移均满足要求（表4）。

对6～10联的计算结果也呈现同样结果。由于本文涉及的模型为常规桥梁，上、下部结构均为通用图模式，可认为分析结果具有一定普遍性。说明对于高烈度地震区的高墩预制桥梁，采用普通板式支座时，梁体在地震作用下滑落问题不可忽略，必须增设可靠防落梁措施确保支座位移。由于高阻尼隔震橡胶支座通常具有较强的弹性刚度和剪切变形能力，采用高阻尼橡胶支座+防落梁构造措施的方式最为可靠。

2.3 能力保护构件盖梁构造分析

本桥桥墩在E2地震作用下进入塑性，采用延性设计，盖梁的弯矩设计值应根据恒载弯矩和墩顶截面超强弯矩计算，计算过程参照规范相关规定。

由于墩径2.2 m桥墩超强弯矩值显著大于其余墩径，盖梁设计弯矩值受2.2 m墩的墩顶超强弯矩值控制。根据墩顶超强弯矩和盖梁恒载弯矩可得盖梁作为能力保护构件时，设计弯矩见表5。

本桥盖梁采用T型断面形式，顶宽2.4 m，底宽1.3 m，如图3所示。

观察盖梁上表以超强弯矩为依据的设计值可见，盖梁设计弯矩值很大，高于此类桥梁静力分析时的盖梁设计弯矩值，且正负弯矩差值较小。采用T型截面盖梁时，正弯矩区由于宽度窄，配筋率受限，当顶底采用同等规格和间距配筋时，承载力之比约为1.4∶1;根据计算底层钢筋采用3层HRB50028@10 cm，正弯矩承载能力22 833 kN·m，满足能力保护构件要求，安全系数k=1.05。底面钢筋层数多，布置间距小，对于混凝土的浇筑质量和保护层设置等要求较高。考虑到结构采用了减隔震支座时，为了让减隔震设施作用耗能最大化，应避免桥墩进入塑性，避免引起更大的位移及修复困难。 若桥墩在E2地震作用下维持弹性，则盖梁作为能力保护构件设计时，设计内力仍允许用E2地震作用计算得到的内力进行，盖梁承载力的控制性因素为静力分析，此时负弯矩设计值大于正弯矩，采用T型盖梁具有合理性（图3）。优化设计时，增强了桥墩配筋，并参考JTGT 2231-01-2020《公路桥梁抗震设计规范》考虑采用了高阻尼隔震支座的刚度、阻尼修正，使桥墩在E2作用下为弹性，地震耗能构件采用支座，因此盖梁的承载能力由靜力控制，采用T型盖梁各项验算均满足规范要求，且更加经济美观。

3 结论

本文对某全长1 083 m，最高墩46.3 m的城市高墩预制桥梁进行抗震设计分析，并针对地震作用下支座位移、盖梁截面形式选择的问题进行一定程度优化设计，得出以下结论：

（1）对于高烈度地震区的高墩预制桥梁，采用普通板式支座时，梁体在地震作用下滑落问题必须重视，应增设防落梁措施减少支座相对位移。高阻尼隔震橡胶支座具有较强的弹性刚度和剪切变形能力，采用高阻尼橡胶支座+防落梁构造措施的方式较为可靠;

（2）当桥墩按照延性构件进行设计时，桥墩盖梁的正负弯矩设计值相当，盖梁截面宜采用矩形等截面进行设计;当桥墩在E2作用下仍保持弹性时，盖梁由静力分析控制其设计承载力，推荐采用T型盖梁

参考文献

[1] 李俊，强士中，李小珍.地基系数的比例系数m的确定[J]. 铁道标准设计， 2004（11）：83-85.

[2] CJJ166-2011 城市桥梁抗震设计规范[S].

[3] JTG/T 2231-01-2020 公路桥梁抗震设计规范[S].

3110501908278