■鄭 錚

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州 350004）

0 引言

在海西高速公路的建設(shè)發(fā)展過程中，建于橫向巖質(zhì)陡坡的高架梁橋因能滿足公路線形、環(huán)保以及人文的要求得到了大量運(yùn)用。但該類地形的橋梁結(jié)構(gòu)受力情況是復(fù)雜的，尤其在遭受地震作用時(shí)，更易發(fā)生嚴(yán)重的破壞。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究大多限于平地地形的動(dòng)力響應(yīng)以及規(guī)則橋梁的地震特點(diǎn)范圍，對(duì)于巖質(zhì)陡坡梁橋的整體抗震性能研究，尤其對(duì)于該種不利地形下橫向墩高存在差異的橋梁抗震研究尚不多見。范立礎(chǔ)等[1]進(jìn)行了多跨連續(xù)梁橋的順橋向動(dòng)力特性研究；卓衛(wèi)東等[2]針對(duì)等墩高連續(xù)梁橋指出了傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)中的不足，并與減隔震梁橋進(jìn)行了比較分析。我國(guó)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)于該類不利地形的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了考慮，其地震影響增大系數(shù)可達(dá)1.6[3～5]，因此對(duì)于該類橋梁進(jìn)行整體的抗震性能研究是亟待開展的課題之一。

1 工程背景

實(shí)橋案例為福建省沿海地區(qū)某高速公路橋梁，上部結(jié)構(gòu)采用4×35m 部頒預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T 梁，梁高2.3m，橋?qū)?6.75m。梁體采用C50 混凝土，橋墩與樁基采用C30 混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱墩配樁基礎(chǔ)，墩與樁直徑均為1.6m。U 臺(tái)位置采用四氟滑板支座，其余各墩采用板式橡膠支座。受到橫向陡坡地形影響，橫橋向高墩和矮墩的墩高分別為10m 與4.5m，各縱橋向高矮墩墩高相近。據(jù)剪切波速測(cè)量結(jié)果，場(chǎng)地覆蓋層等效剪切波速333m/s，按《公路橋梁工程抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》，場(chǎng)區(qū)為中硬場(chǎng)地土。場(chǎng)地覆蓋層厚度1.7m，為Ⅱ類建筑場(chǎng)地。橋址區(qū)場(chǎng)地穩(wěn)定性較好，持力層多為中風(fēng)化基巖，其各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)較高。

圖1 橋梁立面圖與橫斷面圖

2 動(dòng)力模型和地震波輸入

采用MIDAS Civil2012 建立全橋有限元模型(圖2)，采用空間梁?jiǎn)卧M主梁與橋墩，為考慮橋墩的非線性受力，墩柱截面類型采用纖維截面模擬，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05。采用一般連接形式模擬支座約束，鉤單元模擬橫向擋塊，因聯(lián)端剛性橋臺(tái)剛度較大、變形較小，僅考慮橋臺(tái)支座的影響；根據(jù)地質(zhì)情況，巖質(zhì)陡坡地基剛性較大，在墩底位置采用固結(jié)的做法會(huì)略增大結(jié)構(gòu)內(nèi)力的反應(yīng)，縮小結(jié)構(gòu)的實(shí)際周期，因此應(yīng)將橋墩延長(zhǎng)約3 倍樁徑固結(jié)，以貼近實(shí)際結(jié)構(gòu)的情況[6]。選取具有Ⅱ類場(chǎng)地特征的El Centro 基巖波（1940，南北向），分別于順橋向與橫橋向輸入，取時(shí)程計(jì)算結(jié)果予以分析，在保證地震記錄原有頻譜特性的前提下，參照7 度抗震設(shè)防烈度對(duì)其峰值進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.15g。

圖2 全橋有限元分析模型

柱截面纖維劃分如圖3 所示，截面徑向等分為14份，周向等分為64 份。約束混凝土采用Mander 模型，鋼筋采用雙折線模型，以便于準(zhǔn)確的模擬橋墩非線性行為。圖4 為橫向等墩高7.5m 情況下2#墩墩底截面的彎矩曲率曲線，由圖4 中數(shù)據(jù)可得其對(duì)應(yīng)的初始屈服點(diǎn)A 彎矩為4807.5kN·m，承載能力極值B 為6230.43 kN·m。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力超過極限彎矩時(shí)，將發(fā)生嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形甚至失效。

圖3 墩柱纖維截面劃分

圖4 2#墩墩底截面彎矩曲率曲線

3 結(jié)構(gòu)地震動(dòng)內(nèi)力分析

本橋在橫橋向與縱橋向的結(jié)構(gòu)基本周期分別為1.40s 與1.64s。分別沿橫橋向與縱橋向?qū)氲卣鸩?，進(jìn)行時(shí)程分析計(jì)算，經(jīng)計(jì)算縱橋向3 個(gè)橋墩中，2#橋墩的墩底內(nèi)力最大。因此主要針對(duì)此橋墩底部單元，比較橫橋向高墩、矮墩地震內(nèi)力響應(yīng)。

3.1 橫橋向地震動(dòng)分析

圖5 橫橋向地震動(dòng)作用下2#墩橫向高墩與矮墩墩底截面內(nèi)力圖

圖5 給出了橫橋向地震動(dòng)作用下2#陡坡橋墩底彎矩與剪力的時(shí)程曲線，從數(shù)值結(jié)果可以得出，在橫橋向地震動(dòng)作用下，矮墩的墩底彎矩極值為3387kN·m，墩底剪力極值為615.40kN；高墩的墩底彎矩極值為1571kN·m，較矮墩小了53.62%，墩底剪力極值為191.3kN，較矮墩小了68.9%。由此可得，在橫橋向地震動(dòng)作用下，陡坡梁橋下部結(jié)構(gòu)中的矮墩因自身剛度比例的特點(diǎn)，會(huì)承受更多的地震內(nèi)力，相對(duì)于高墩的自身受力而言，該增大作用是十分顯著的。

3.2 縱橋向地震動(dòng)分析

圖6 為縱橋向地震動(dòng)作用下陡坡梁橋墩底彎矩與剪力的時(shí)程曲線圖，從數(shù)值結(jié)果可以得出，矮墩的墩底彎矩極值為6590kN·m，墩底剪力極值為576.4kN；高墩的墩底彎矩極值為3908kN·m，較矮墩小了40.7%，墩底剪力極值為205.3kN，較矮墩小了65.4%。由此可得，在縱橋向地震動(dòng)作用下，橫向陡坡梁橋下矮墩會(huì)產(chǎn)生更劇烈的地震內(nèi)力響應(yīng)，且其極限彎矩超過了彎矩曲率曲線得到的截面屈服彎矩，屆時(shí)橋墩將產(chǎn)生明顯的塑性破壞，甚至引起垮塌。

圖6 縱橋向地震動(dòng)作用下2#墩橫向高墩與矮墩墩底截面內(nèi)力圖

3.3 墩頂位移漂移率比較

墩頂位移漂移率為墩頂位移與橋墩墩高的比值，是墩柱構(gòu)件對(duì)應(yīng)于不同性能水準(zhǔn)的變形能力，并且與長(zhǎng)細(xì)比、軸壓比、縱筋率、配箍率等墩柱構(gòu)件設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)的變量。圖7 給出了2#墩中高矮墩縱橋向和橫橋向的墩頂位移漂移率，由其中數(shù)據(jù)可得，對(duì)于該連續(xù)梁橋，縱橋向輸入地震動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更高的墩頂漂移率，因此縱橋向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)；對(duì)于橫向陡坡梁橋，縱橋向輸入地震動(dòng)時(shí)，高墩與矮墩的漂移率都高于同類常規(guī)平地地形梁橋的橋墩漂移率，該不利地形會(huì)引起結(jié)構(gòu)在地震作用時(shí)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的損傷；兩種地震波輸入情況下，陡坡梁橋中的矮墩漂移率最高，最大值可達(dá)0.46%，其抗震延性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)予以單獨(dú)的重視。

圖7 縱橋向與橫橋向墩頂漂移率

4 設(shè)計(jì)對(duì)策

針對(duì)陡坡梁橋矮墩在地震作用下的受力特點(diǎn)，本文提出施工措施，在陡坡處不大開挖的情況下，通過在矮墩樁周預(yù)留空隙（圖8），改善橋墩剛度差過大的不利影響，降低矮墩剛度，改善橋墩受力。其大致步驟如下：

圖8 施工措施示意圖

(1)施工時(shí)通過“雙護(hù)筒”法或“護(hù)壁+鋼護(hù)筒”法在矮墩樁周預(yù)留空隙。樁基頂在成孔時(shí)，處理長(zhǎng)度范圍的成孔直徑比常規(guī)大約15～20cm。

(2)樁砼澆注前，把帶有封堵橡膠圈的鋼護(hù)筒定位好。

(3)放置鋼筋籠，澆注樁基砼。

(4)樁基施工完成后，預(yù)留空隙處填塞泡沫層或者高彈性橡膠墊層。

圖9 縱橋向地震動(dòng)作用下矮墩樁側(cè)處理前后內(nèi)力圖

通過計(jì)算可得，矮墩樁周經(jīng)過處理后的結(jié)構(gòu)周期為1.77s，相對(duì)原結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)了7.9%；該施工措施可以減少原陡坡梁橋的縱橋向矮墩地震內(nèi)力作用，其中墩底彎矩為6092kN·m，相對(duì)減少7.6%，墩底剪力為530.9kN，相對(duì)減少7.9%；當(dāng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生塑性鉸以后，采取該施工措施處理過的矮墩墩底的內(nèi)力時(shí)程曲線值小于處理前的情況。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)本文的研究與工程實(shí)例分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）對(duì)于橫向陡坡梁橋而言，其矮墩在地震作用下會(huì)產(chǎn)生更大的內(nèi)力反應(yīng)，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視，在抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與同類常規(guī)平地地形梁橋有所區(qū)別，調(diào)整相應(yīng)的配筋率，加強(qiáng)延性設(shè)計(jì)，提高抗震性能。

（2）地震作用下，橫向陡坡梁橋中矮墩會(huì)產(chǎn)生較大的墩底剪力，應(yīng)加強(qiáng)橋墩塑性鉸區(qū)域的抗剪設(shè)計(jì)。

（3）橫向陡坡梁橋的橫橋向地震動(dòng)作用能達(dá)到縱橋向50%以上，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)加大擋塊的尺寸及增加結(jié)構(gòu)配筋，防止落梁現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（4）矮墩采用預(yù)留空隙的施工措施可以減少地震作用下橫向陡坡梁橋中矮墩的內(nèi)力響應(yīng)。

[1]周光偉，李建中，范立礎(chǔ).多跨連續(xù)梁橋縱橋向動(dòng)力特性研究及其地震反應(yīng)譜簡(jiǎn)化分析[J].上海：同濟(jì)大學(xué).

[2]卓衛(wèi)東，孫穎，谷音.長(zhǎng)大公路混凝土連續(xù)梁橋抗震方案比選[J].土木工程與管理學(xué)報(bào)，2011，38(3)：313-321.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2010)[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2010.

[4]公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則(JTG/T B02-01-2008).北京：人民交通出版社，2008.

[5]城市橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(CJJ 166-2011）.北京：人民交通出版社，2011.

[6]普瑞斯特雷，塞勃勒，卡爾維.橋梁抗震設(shè)計(jì)與加固[M].北京:人民交通出版社,1997.