某V形河谷地区简支梁桥抗震设计优化

黄列夫，夏剑强，刘朝晖，陈爱军

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.中南林业科技大学 土木工程学院 湖南 长沙 410004)

0 引言

地震地区桥梁一般应采用对称结构形式和均匀的布置方案，以利于桥梁结构各部分共同承担水平地震力。但V形河谷地区，各桥墩高度往往相差较大，导致桥墩刚度差相差较大，虽然通过板式橡胶支座的调节可得到一定改善，但水平地震力在各墩间的分配一般仍不理想。为此，本文以湖北省罗田县省道323改建公路上某公路大桥分联方案及橡胶支座选型匹配为例进行了深入研究。

张颖周等[1]此前对板式橡胶支座合理计算模型进行了研究；宋雷等[2]对铅芯橡胶支座在简支梁桥减隔震中的应用进行了深入研究；张帅等[3]、郝晓光等[4]、狄秉臻等[5]、王涛等[6]等对于山区常规桥梁墩柱合理设计、抗震性能研究等提供了良好的借鉴；庄卫林等[7]对简支体系桥梁震害进行了总结并提出了相关抗震设计对策，为常规桥梁抗震设计提供了一些思路。

1 初设基本情况

1.1 技术标准

a.公路等级：二级公路。

b.设计速度：40 km/h。

c.设计荷载：公路-Ⅰ级。

d.设计安全等级：一级。

e.桥梁设计使用年限：100 a。

f.桥梁宽度：9.0 m=净8.0 m(行车道)+2×0.5 m(防撞护栏)。

g.桥梁航道等级：无通航要求。

h.设计洪水频率：1/100。

i.抗震设防等级:地震动峰值加速度0.10g,特征周期0.35 s,相应的地震基本烈度为7度,桥梁抗震设防类别为B类,桥梁抗震措施等级为三级。

1.2 桥型方案

该桥初设审定方案采用7孔30 m预应力砼简支T梁桥，全桥长217.08 m，上部结构采用7跨一联，桥面连续构造。梁高2 m，横桥向由2片边梁及2片中梁组成。中梁预制宽度1.75 m，边梁预制宽度2.055 m，预制梁采用C50混凝土。

下部结构0#桥台采用柱式台配D1.5 m钻孔灌注桩基础，7#桥台采用重力式U型桥台。

桥墩采用双柱式桥墩，1#墩和6#墩墩柱采用D1.6 m圆形双柱式墩，接D1.8 m钻孔灌注桩基础，桩顶和柱间设系梁；2#～5#墩墩柱采用D2.2 m圆形双柱式墩，接D2.5 m钻孔灌注桩基础，桩顶和柱间设系梁，墩身及桩基均采用C35混凝土结构；所有桥墩墩顶均设钢筋砼盖梁，桥型布置见图1。

图1 桥型布置图(单位：mm)

施工图设计阶段，重点从分联方案、支座选型匹配等方面对该桥进行了抗震设计优化。

2 桥跨分联及支座选型优化

2.1 桥墩刚度分析

由于桥位地质条件较好，覆盖层较薄，下覆基岩为花岗岩，墩底与地面交接处近式按固结处理。根据桥型布置图，各墩高度分别为：1#墩高18 m，2#墩高为34 m(D2.2 m)+6 m(D2.5 m)，3#墩高为36.8 m(D2.2 m)+7 m(D2.5 m)，4#墩高为36.1 m(D2.2 m)+8 m(D2.5 m)，5#墩高35 m，6#墩高9.5 m，采用结构力学方法，计算各桥墩的水平刚度，如表1所示。

表1 各桥墩水平刚度Kp

从表1可以看出，各桥墩水平刚度差异较大，尤其是6#墩水平刚度与3#墩水平刚度之比达22.95，因此，桥墩刚度调整及分联方案对于抗震设计十分重要。从结构安全与经济性考虑，1#、6#墩直径不宜过度减小，其余桥墩直径加大不太经济，为此，施工图阶段重点对上部结构分联方案及下部桥墩支座优化选型进行了分析研究。

2.2 支座拟定

根据计算，该桥单片梁单端支座最大承压力为1 540 kN，对照《公路桥梁板式橡胶支座》(JT/T4—2019)[8]，支座选型平面最小规格为Ia×Ib=350 mm×500 mm，相应容许承载力Rck为1 666 KN。按支座承载力不小于1 540 kN、支座横桥向宽度Ib不大于600 mm(T梁底宽)、平面最小规格不小于350 mm×500 mm初步选定各类型支座型号，各支座型号剪切刚度见表2，其中，橡胶剪切模量G取1 MPa，每个桥墩按8个支座考虑，Kz=8×G×A/h，h为橡胶层总厚度。

表2 初拟板式橡胶支座剪切刚度Kz

从表2可以看出，初拟各类型板式橡胶支座剪切刚度差异最大达到3倍，故地震地区，顺桥向各墩可通过合理选定橡胶支座与桥墩串联来优化调整各桥墩联合刚度。

2.3 优化方案拟定

由于该桥梁位于V形河谷地区，岸坡侧桥墩与河床处桥墩高度相差较大，桥跨布置难以满足对称均匀的布置方案，上部主梁分联方案及支座选型确定，对于下部桥墩承担水平地震力影响较大。为此，本文针对不同分联方案与支座选型匹配拟定了3个优化方案，支座选型尽可能使各桥墩和支座组成串联体系等效刚度Kt相对均衡，即各桥墩间水平刚度比均衡，其中，Kt=Kp×Kz/(Kp+Kz)。

方案1：上部主梁按7×30 m一联，桥面连续构造(计算模型按铰接模拟)，全桥两岸0#、7#桥台处各设1道伸缩缝，桥台支座采用四氟滑板式橡胶支座，1#墩和6#墩墩柱尺寸由D1.6 m优化为D1.5 m，同时，通过优化匹配橡胶支座，优化各墩等效刚度，各墩尺寸及支座选型见表3。通过橡胶支座串联调节后，所有桥墩联合刚度及桥墩间刚度比均大幅下降，联合刚度最大6#墩与最小3#墩的刚度从未设橡胶支座前的22.95降为4.6，故顺桥向各桥墩刚度相差较大时，在各墩顶选择剪切刚度合理的橡胶支座来调整各墩的等效刚度是十分有效的。

表3 方案1各桥墩尺寸及支座选型表

方案2：上部主梁按(30+5×30+30)m分三联布置，全桥仅在1#、6#墩顶共设2道伸缩缝，0#、7#桥台及其余墩顶处采用桥面连续构造[9]，桥墩尺寸与方案1相同，1#、6#桥墩全部采用四氟滑板支座，桥台水平抗推刚度近似按无穷大处理，通过优化匹配各墩顶橡胶支座，使各墩等效刚度尽可能趋于均衡，各墩台尺寸及支座选型见表4。一联内2#～5#桥墩，任意两墩间及相邻桥墩间的水平向抗推刚度比都相对均衡，有利于各桥墩共同承担水平地震力；1#和6#墩设置伸缩缝和四氟滑板支座，地震作用下，由于桥台联合水平抗推刚度很大，绝大部分水平地震力由两岸桥台承受，交界墩承受的水平地震力相对较小。

表4 方案2各桥墩台尺寸及支座选型表

方案3：上部主梁按(3×30+4×30)m分二联布置，全桥共在0#、3#、7#墩台位置共设3道伸缩缝，每联采用桥面连续构造，桥墩尺寸与方案1相同，0#、3#、7#墩台全部采用四氟滑板支座，桥台本体水平抗推刚度近似按无穷大处理，各墩台尺寸及支座选型见表5。

表5 方案3各桥墩台尺寸及支座选型表

3 抗震分析

3.1 分析模型

采用有限元分析程序Midas/Civil来建立模型。计算模型采用杆系分析模型，由于桥位地质条件较好，覆盖层较薄，下覆基岩为花岗岩，墩底与地面交接处近似按固结处理，四氟滑板支座近似不计水平剪切刚度影响，板式橡胶支座采用弹性连接模拟，计算模型如图2所示。

图2 计算模型图

3.2 抗震分析

根据《公路桥梁抗震设计规范》[10]，按地震反应谱法计算各方案桥墩E1地震作用下内力见表6。

表6 各方案E1地震下顺桥向弯矩

从表6可以看出，方案2分联方案下，1#、6#墩墩底弯矩分别为方案1的39.0%、56.6%，高度差较大的1#墩、6#墩承担的水平地震力大幅减小，而2#～5#桥墩承担的水平地震力相对较均衡，墩底增加弯矩也在结构安全范围内；方案3各墩地震响应差异较大，尤其1#、6#墩墩底弯矩较大，且联内桥墩间刚度比相差较大，也不符合抗震措施[11]设计相关要求，故方案2最优，作为施工图设计[12]推荐方案。

4 结语

本文依托某V形河谷地区二级公路PC简支梁桥，采用不同分联方案与橡胶支座优化选型进行了分析对比研究，同时，应用Mmidas有限元程序，对各方案按反应谱法进行了地震效应分析验证，主要结论如下：

a.顺桥向各桥墩水平抗推刚度相差较大时，在各墩顶选择剪切刚度合理的橡胶支座来降低并调整各桥墩的等效刚度十分有效，有利于降低各桥墩地震作用影响。

b.V形河谷地区多跨一联简支梁桥，将两岸桥台处伸缩缝改移至相邻跨矮墩、桥台处采用桥面连续构造处理后，通过分联优化和匹配合理的板式橡胶支座，岸坡上矮墩地震工况下承担水平力大幅减小，该形式分联优化可为同类桥梁的抗震优化设计提供参考。