趙雄輝，王漢偉

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

1 概述

拉薩市環(huán)城路（北段）位于拉薩市中心城區(qū)北部，西起北京西路拉魯濕地西端，沿拉魯濕地北側(cè)向東，穿越自然山體、行政學院等，再沿流沙河、啟勞路（原齊拉路）至拉薩監(jiān)獄地塊，最后轉(zhuǎn)向東南，穿越自然山體與納金大橋相接，路線總長約16.61 km，其中包涵8座橋梁。本文以拉薩市北環(huán)線東繞城路2號隧道南出口高架橋作為實例（見圖1），橋梁主要上部結(jié)構為簡支變連續(xù)小箱梁，全橋共計9跨，跨徑布置為3×（3×30 m）。橋梁下部結(jié)構為1.5 m圓形墩柱接蓋梁形式，基礎采用1.2 m鉆孔灌注樁基礎接承臺。橋梁分雙幅設置，單幅橋梁寬度為11.75 m。

圖1 東繞城路2號隧道南出口高架橋

2 抗震設防原則及構思

2.1 三級抗震設防原則

（1）當遭遇低于該地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震（50年超越概率63%）影響時，結(jié)構一般不受損壞或不需要修理仍可繼續(xù)使用，此為地震水平Ⅰ。

（2）當遭遇相當于該地區(qū)抗震設防烈度（50年超越概率10%）影響時，結(jié)構有損壞，但經(jīng)及時修理仍可繼續(xù)使用，此為地震水平Ⅱ。

（3）當遭遇高于該地區(qū)抗震設防烈度的預估罕遇地震（50年超越概率2%）影響時，結(jié)構嚴重損傷，但不致倒塌，經(jīng)加固后可恢復交通，此為地震水平Ⅲ。

2.2 能力設計原則

（1）選擇地震中預期出現(xiàn)的彎矩塑性鉸的合理位置。

（2）選擇地震中合理出現(xiàn)彎曲塑性鉸位置，確保潛在塑性鉸區(qū)域截面延性能力。

（3）確保預期出現(xiàn)彎曲塑性鉸的構件不發(fā)生脆性破壞。

3 橋梁的震害及特征

落梁主要是由于橋臺、橋墩傾斜、倒塌，支座破壞，梁體碰撞，相鄰墩間發(fā)生過大相對位移等引起的。支座設計沒有充分考慮抗震要求，構造上連接與支擋等構造措施不足，導致了支座發(fā)生過大的位移和變形，從而造成如支座錨固螺栓拔出、剪斷、活動支座脫落及支座本身構造上的破壞等，并由此導致結(jié)構力傳遞形式的變化，進而對結(jié)構的其他部位產(chǎn)生不利的影響。

橋梁下部結(jié)構地震破壞有剪切破壞和彎曲破壞，橋墩震害主要表現(xiàn)為橋墩沉降、傾斜、移位，墩身開裂、剪斷，受壓緣混凝土崩潰，鋼筋裸露屈曲，橋墩與基礎連接處開裂、折斷等。地基與基礎的嚴重破壞是導致橋梁倒塌，并在震后難以修復使用的重要原因。地震造成的地表破壞主要有地表斷裂、滑坡、沙土液化、軟土震陷等。地表破壞主要是由于地質(zhì)條件在地震作用下導致橋梁破壞，地基破壞主要是指因砂土液化、不均勻沉降及穩(wěn)定性不夠等因素導致的地層水平滑移、下沉、斷裂，橋梁結(jié)構主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)。

4 工程實例計算

4.1 計算參數(shù)

抗震基本烈度為8度，設計地震動峰值加速度系數(shù)為0.20g。重要性系數(shù)Ci：E1為0.46，E2為2.0。橋梁抗震設防分類為丙類。

4.2 等效模型的簡化分析

為了計算在地震作用下的結(jié)構動力響應，可以通過MIDAS/Civil有限元程序?qū)蛄旱慕Y(jié)構建立空間線性模型（見圖2）。 模型中主梁與墩柱是通過支座單元來模擬，主梁與支座連接采用彈性連接中剛性模擬。對下部橋墩，由于采用的是直徑為1.5 m圓柱接蓋梁形式，基礎采用樁接承臺形式，在樁身單元上施加離散的側(cè)向土彈簧進行模擬土層作用，彈簧的剛度可采用“m”法進行計算。在MIDAS/Civil中橋墩在混凝土開裂前采用毛截面剛度，開裂后墩柱截面剛度是通過剛度折減系數(shù)來表示有效抗彎剛度。

圖2 東繞城路2號隧道南出口高架橋模型圖

4.3 反應譜函數(shù)

反應譜分析實際上是一種擬動力分析方法。將結(jié)構在動力荷載下的復雜響應情況分解為各階振型獨立的分項響應情況。地震效應通過設計規(guī)范提供的綜合考慮各項因素制定的設計反應譜體現(xiàn)。

該次橋梁設計采用反應譜函數(shù)如圖3、圖4所示。

圖3 E1反應譜函數(shù)

圖4 E2反應譜函數(shù)

雙柱墩需用Pushover計算橫向容許位移，可在蓋梁處施加水平力，進行非線性靜力分析，當墩柱的任一塑性鉸達到其最大容許轉(zhuǎn)角或塑性鉸區(qū)控制截面達到最大容許曲率時，計算得到蓋梁處的橫向水平位移。

雙柱順橋向的容許位移可按下式計算：

式中：Δu為橋墩容許位移；H為懸臂的高度或塑性鉸截面到反彎點的距離；y+為截面的等效屈服曲率，1/cm；Lp為等效塑性鉸長度；θu為塑性鉸區(qū)域最大允許轉(zhuǎn)角。

通過迭代計算得到墩底（頂）處于塑性屈服狀態(tài)（考慮安全系數(shù)2）時的軸力和得到屈服狀態(tài)墩頂?shù)臋M向位移。

4.4 強度驗算

該橋墩柱較多，這里只提取1#、3#、4#墩柱計算結(jié)果進行比較，其中3#墩為連接墩。墩柱參數(shù)見表1。

表1 墩柱參數(shù)

由表2結(jié)果可知，橋梁墩柱在E1反應譜函數(shù)作用1#、3#、4#墩柱都保持在彈性范圍內(nèi)。在E2地震作用均出現(xiàn)塑性鉸，E2地震作用下強度不滿足要求，墩柱處于塑性狀態(tài)。

表2 墩柱強度 MPa

4.5 位移驗算

由于橋墩在E2反應譜函數(shù)作用1#、3#、4#墩柱都出現(xiàn)塑性鉸，要進行延性設計。通過Pushover的分析方法，修改墩柱剛度，進行墩柱位移驗算和塑性鉸區(qū)域的抗剪驗算。

由表2可知，1#、3#、4#墩柱在E2地震作用均出現(xiàn)塑性鉸。表3是E2地震作用下墩頂位移計算滿足容許位移要求。表4是墩柱塑性鉸區(qū)域的抗剪強度滿足要求。

橋墩的剪力與彎矩要滿足式（2）的要求，防止橋墩縱向鋼筋配得過大出現(xiàn)剪切破壞。通過對圓柱墩配筋發(fā)現(xiàn)，高震區(qū)箍筋配置時都是不能滿足式（2）要求。

式中：Mxhc、Mshc為等效彎矩，kN·m；Hn為墩柱高度，m。

該次橋墩箍筋配置方式如圖5所示。該次箍筋采用：②直徑為12 mm HRB400鋼筋；③直徑為20 mm HRB400鋼筋，間距為10 cm。通過這種配置能夠滿足式（2）的要求。

表4 塑性鉸區(qū)域的抗剪驗算

圖5 墩柱截面箍筋配置圖

5 結(jié)語

本文介紹了地震作用下雙柱墩反應譜計算方法，總結(jié)了計算過程。同時借助東繞城路2號隧道南出口高架橋工程實例的應用，通過計算中采用方法以及剪力與彎矩的相互關系，防止橋墩出現(xiàn)剪切破壞，對以后的類似工程提供了借鑒。以確保橋梁工程在地震過程中有足夠的抗震能力和合理的安全度，減輕地震災害帶來的經(jīng)濟和社會損失。