高烈度地区山区桥梁抗震设计探讨

王坚

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100089）

1 引言

随着我国交通设施的不断完善，高烈度山区公路桥梁的建设规模越来越大。在地震作用下，桥梁工程容易出现各种顺桥向和横桥向病害，如支座大变形剪切、落梁破坏、地基失效等，可能造成一定的经济损失和人员伤亡。分析桥梁地震破坏原因主要有抗震设防标准低、桥梁结构自身抗震能力不足、桥梁结构所处的场地不利等。鉴于此，国内外很多学者借助数值模拟、理论推导等手段分析了地震力大小及其对桥梁抗震响应的影响，但是并未形成统一的理论来指导桥梁抗震设计，给桥梁安全运营带来一定的隐患[1]。因此，进一步研究高烈度地区桥梁的地震力及抗震设计方法具有重要的工程价值。

2 高烈度山区桥梁抗震设防目标及地震力分析

2.1 桥梁抗震设防目标

山区桥梁根据单跨跨径、所属公路等级等划分为A 类、B类、C 类、D 类4 个抗震设防类别，其抗震设防要求依次降低。在E1 和E2 地震作用下，A 类、B 类和C 类桥梁选择两水准抗震设防，D 类桥梁选择一水准抗震设防作用即可，具体设防目标如表1。

表1 公路桥梁抗震设防目标

2.2 地震作用选择

2.2.1 地震作用方向

JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》，公路桥梁地震一般可只考虑水平向地震作用。对于A 类桥梁、抗震设防烈度为Ⅸ度的桥梁、抗震设防烈度为Ⅷ度且竖向地震效应明显的桥梁应同时考虑水平向地震作用和竖向地震作用[2]。

2.2.2 地震作用分量组合

采用反应谱法进行桥梁地震力分析时，需分别计算X 方向、Y 方向、Z 方向的最大效应Ex、Ey、Ez，再按式（1）计算总的最大地震作用效应E[3]。

采用动力时程分析法进行桥梁地震力分析时，应同时输入至少两个方向分量的一组地震动时程来计算地震作用效应。

3 高烈度山区桥梁构造及减隔震设计

3.1 墩柱构造细节设计

3.1.1 横向箍筋

横向箍筋一方面是用来约束桥梁墩柱塑性铰区域内的混凝土，增大混凝土的抗压强度、抗剪强度和延性；另一方面是为了避免墩柱内的纵向钢筋压曲。横向箍筋间距不宜过大或过小，箍筋间距小，加固效果固然好，但钢筋造价提升；箍筋间距过大，不能充分发挥作用。桥梁墩柱箍筋间距S 建议按式（2）计算：

式中，ds为墩柱纵向钢筋的直径，mm；fy为墩柱纵向钢筋的屈服强度，kPa；fu为墩柱纵向钢筋的极限强度，kPa。

3.1.2 纵向受压钢筋

纵向受压钢筋数量会直接影响混凝土墩柱的延性，从而影响其抗震性能，故纵向钢筋的配筋率不宜过小或过大。纵向钢筋配筋率过小，地震作用下结构延性不满足要求；纵向钢筋配筋率过大，不利于墩柱混凝土的浇筑、振捣等[4]。

对于高烈度区地区的山区桥梁，圆形截面和矩形截面的纵向钢筋最小配筋率ρs，min可分别按式（3）和式（4）计算：

式中，ηk为轴压比，无量纲；ρt为纵向钢筋配筋率，%；fck、fyh分别为混凝土抗压强度和箍筋抗拉强度，MPa。

3.2 减隔震设计

高烈度山区桥梁工程中常用减隔震支座（铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座、摩擦摆式减隔震支座等）来延长桥梁结构自振周期、增大阻尼，以消耗地震能量、降低地震力对桥梁结构的影响。但是，减隔震支座一般应用于刚性墩、且桥墩高差较大的桥梁。对于基础土层性能较差、可能液化、场地特征周期比较长的场地，采用减隔震支座无法有效避开地震波能量集中的区间，减隔震效果较差[5]。

3.3 抗震措施

在地震作用下，桥梁结构破坏机理复杂，在设计时不能完全依靠相关规范或标准中的定理计算方法。尤其是高烈度区的桥梁结构，更应该重视桥梁抗震构造措施的使用。桥梁结构抗震措施等级应综合考虑桥梁类别、地震水平加速度等因素，按表2 确定。

表2 高烈度地区桥梁抗震措施等级划分

4 高烈度山区桥梁抗震实例

4.1 工程概况

该桥梁设计速度80 km/h，设计荷载为公路I 级，抗震设防烈度取Ⅷ度。桥梁主桥长270 m，跨径组合为70 m+130 m+70 m。上部结构为预应力混凝土连续箱梁桥，箱梁顶板宽16 m，底板宽11 m，悬臂长度为2.5 m，跨中梁高4.2 m，支点梁高10 m，现浇部分梁高按1.8 次抛物线规律变化，如图1 所示。下部结构主墩墩身拟采用单薄壁空心墩或双薄壁空心墩（根据桥梁抗震比选）。

图1 主梁横断面示意

4.2 计算模型建立

4.2.1 模拟单元及接触关系

在MIDAS Civil 软件中，梁单元有2 个节点，每个节点有6 个自由度（X、Y、Z 方向平动自由度和X、Y、Z 方向的旋转自由度），能够分析构件的拉、压、剪、弯、扭的变形。因此，本文选择MIDAS Civil 软件中的PSC 变截面梁单元来模拟该桥梁上部结构。下部结构采用柱单元模拟。

4.2.2 网格划分

在MIDAS Civil 软件中，网格尺寸及数量对计算效率、计算结果有直接影响。网格尺寸过小，网格数量多，计算所耗费的时间长，且模型容易不收敛；网格尺寸过大，无法保证计算结果的准确性。对于桥梁结构，各部分构件形状不规则，网格划分难度大。

4.2.3 设防地震

该桥梁抗震分析采用反应谱法，E1 地震作用和E2 地震作用所对应的地震谱主要参数见表3。

表3 地震反应谱参数

4.3 桥梁结构地震响应

4.3.1 桥墩形式对桥梁地震响应的影响

利用MIDAS Civil 软件分别计算了单薄壁空心墩桥梁结构和双薄壁空心墩桥梁在E2 地震作用下的墩顶和墩底的剪力和弯矩，计算结果见图2。

由图2 计算可知：在E2 地震作用下，双薄壁桥墩桥梁的剪力和弯矩均小于单薄壁空心墩桥梁。在墩顶位置，双薄壁空心墩可以使桥梁弯矩和剪力减少20%左右；在墩底位置，双薄壁空心墩可以使桥梁弯矩和剪力减少约20%。这说明，双薄壁空心墩能减小桥梁的地震响应，提高桥梁抗震性能。

4.3.2 支座纵向约束对桥梁地震响应的影响

该桥梁抗震支座采用盆式橡胶支座，在纵向有一定的弹性约束。利用MIDAS Civil 软件计算了支座纵向刚度为0、0.5×104、1×104、1.5×104、2×104kN/m 时桥梁跨中位移，计算结果见图3。

由图3 计算可知：在E2 地震作用下，桥梁跨中位移随抗震支座纵向刚度的增加而降低，且两者之间基本呈线性负相关关系。抗震支座纵向刚度每增加0.5×104kN/m，跨中位移平均降低值约1.5 mm。

5 结语

本文研究了高烈度山区桥梁抗震分析方法、设计要点等，并以某山区大跨连续刚构桥为研究对象，计算了其地震响应，主要得到以下结论：（1）山区桥梁地震力分析常用的方法为反应谱法、时程分析法等动力分析方法；（2）高烈度山区桥梁抗震设计时要重视地震作用分量组合、横向箍筋间距、纵向钢筋配筋率等，并做好减隔震支座设计；（3）双薄壁桥墩桥梁的抗震性能更好，其在地震作用下的剪力和弯矩均小于单薄壁空心墩桥梁；（4）抗震支座纵向刚度越大，桥梁在地震作用下的跨中位移越小。