顧紅飛

(中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司，南京 210014)

近年以來，我國地震災害偶發(fā)，尤其是汶川8.0級地震，給災區(qū)造成了巨大的精神創(chuàng)傷與經(jīng)濟損失，因此，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震性能越來越受到重視。《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/T B02—01—2008)、《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)、《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)等規(guī)范相繼頒布實施[1-3]，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提出了新的要求。

結(jié)合以上文獻要求，橋梁結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注如下內(nèi)容：

(1) 《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)中，不少地區(qū)的基本地震動峰值加速度參數(shù)有所提高，新項目設(shè)計時應(yīng)對照新規(guī)范核實相關(guān)參數(shù)，不可主觀地延用同地區(qū)以往項目標準。

(2) 《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2015)在附錄中單獨給出了“場地地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)Fa”，此值是否需要疊加計算尚有待商榷。在《公路橋梁抗震設(shè)計細則》(JTG/T B02—01—2008)中，反應(yīng)譜最大值計算時包含了場地系數(shù)，與Fa值對應(yīng)。而在《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)中，只是籠統(tǒng)地給出了一個地震調(diào)整系數(shù)，并未給出場地系數(shù)。

(3) 場地類別對特征周期影響較大。單振型反應(yīng)譜法計算公式較簡單，便于編制表格，在常規(guī)橋梁抗震驗算中，被大多數(shù)設(shè)計人員采用，但特征周期對反應(yīng)譜譜值影響極大，導致計算結(jié)果相對保守。

(4) 考慮支座摩擦耗能效應(yīng)的非線性時程分析法應(yīng)用較少。由于需要擬合地震波模擬支座滯回曲線，對計算要求較高，且計算結(jié)果的可靠性并不明確，故通常較少采用此種方法。

(5) 抗震計算結(jié)果控制橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計。尤其在低烈度區(qū)，新的抗震設(shè)計規(guī)范往往要求過于嚴格，與靜力計算結(jié)果相差較大，導致抗震驗算直接控制構(gòu)造尺寸配筋。

變寬箱梁在城市高架中的應(yīng)用比重較大，而與之相關(guān)的研究卻相對較少。本文基于現(xiàn)行橋梁抗震規(guī)范，對變寬箱梁的地震響應(yīng)進行對比分析。

1 工程背景

本文選取某高架快速路項目中一段典型的變寬箱梁進行抗震計算分析。橋梁跨徑布置為3×33+2×33+3×33 m，橋?qū)?5～41.9 m，墩高8 m左右。上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆預應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，梁高均為2 m，同時，在梁底橫向設(shè)砼防落梁擋塊。下部結(jié)構(gòu)主墩采用雙柱式花瓶墩，墩底截面尺寸為1.6×1.6 m，輔墩采用柱式墩，墩底截面尺寸也為1.6×1.6 m。

基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，其中，主墩采用8根1.2 m 樁徑群樁基礎(chǔ)，輔墩采用2根1.5 m樁徑群樁基礎(chǔ)，樁長61～65 m。支座采用GPZ(2009)盆式橡膠支座，水平抗力為豎向承載能力的10%。第15聯(lián)為雙箱斷面，橫向按雙固定設(shè)計，其余整體式斷面均按單固定設(shè)計，順橋向均設(shè)一排固定支座，45#、47#和50#墩為固定墩。變寬箱梁立面、支座及斷面如圖1～3所示。

圖1 變寬箱梁立面(單位：m)

圖2 變寬箱梁支座布置

圖3 典型橋梁斷面(單位：cm)

橋梁位于七度區(qū)，根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)，城市快速路高架橋為乙類橋梁，抗震設(shè)計方法為A類。根據(jù)地勘報告，本項目Ⅱ類場地基本地震動峰值加速度為0.15 g，場地反應(yīng)譜特征周期0.45 s。根據(jù)實測等效剪切波速，場地類別為Ⅳ類，場地調(diào)整特征周期為0.90 s。

2 反應(yīng)譜與時程曲線的確定

根據(jù)《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(CJJ 166—2011)計算得到設(shè)計加速度反應(yīng)譜，如圖4所示。本次計算不考慮場地地震動峰值加速度調(diào)整系數(shù)Fa。

圖4 地震動加速度反應(yīng)譜

因本項目未進行地震安全性評價，故上述“設(shè)計加速度反應(yīng)譜”僅為目標。在此前提下，針對E1和E2兩種設(shè)防標準，分別擬合出3組設(shè)計加速度時程曲線進行計算分析，計算結(jié)果取最不利值。兩種設(shè)防標準下3組設(shè)計加速度時程曲線分別如圖5～6所示。

圖5 3組E1水平加速度時程曲線

圖6 3組E2水平加速度時程曲線

對于生成的加速度時程曲線，需判斷其是否與設(shè)計反應(yīng)譜相匹配。根據(jù)規(guī)范要求，任意兩組同方向時程相關(guān)系數(shù)的絕對值應(yīng)小于0.1。同時，須將所用的地震波時程曲線轉(zhuǎn)換為反應(yīng)譜，與規(guī)范設(shè)計反應(yīng)譜比對，以兩者的吻合度來初步判斷擬合地震波的實用性。通過比對，本橋兩種結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

3 空間有限元模型的建立

有限元模型建模時，考慮到相鄰聯(lián)與計算聯(lián)存在相互影響關(guān)系，故選取左右各1聯(lián)作為邊界聯(lián)進行動力特性和地震反應(yīng)分析。有限元計算模型均以順橋向為x軸，橫橋向為y軸，豎向為z軸。其中，主梁、橋墩等均用梁單元模擬，樁基礎(chǔ)則采用“m”法計算得到的等代土彈簧來模擬。本次計算不考慮主梁與橫向擋塊的碰撞效應(yīng)。

采用反應(yīng)譜法及線性時程法計算時，支座采用彈簧模擬；采用非線性時程法計算時，活動盆式支座的摩擦力采用雙線性單元模擬，摩擦系數(shù)取0.02，臨界滑動位移取為3 mm，恢復力模型如圖7所示。

圖7 活動盆式支座恢復力模型

4 三種模擬方法計算結(jié)果對比

根據(jù)規(guī)范驗算條文[2]，支座水平力、墩底彎矩的計算結(jié)果是橋梁上下部抗震設(shè)計的主要依據(jù)。因此，本文提取以上兩種計算結(jié)果進行比較。為方便比較，假定下部結(jié)構(gòu)均處于彈性狀態(tài)，由于固定墩處受力最大，限于篇幅，僅列出E1地震作用下固定墩的計算結(jié)果。

4.1 地震波沿順橋向輸入

由表1～2可知，地震波沿順橋向輸入時，反應(yīng)譜法和線性時程法的計算結(jié)果較為接近，最大誤差在20%以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。非線性時程法的計算結(jié)果遠小于以上兩種方法，主要原因是支座摩擦起到了耗能作用。

表1 主墩支座水平力 (kN)

表2 主墩墩底彎矩 (kN·m)

4.2 地震波沿橫橋向輸入

由表3～4可知，地震波沿橫橋向輸入時，三種方法的計算結(jié)果較為接近，且計算誤差在10%以內(nèi)。主要原因是橫向墩柱為雙柱墩，剛度較大，橫向位移很小，支座摩擦耗能作用有限。

表3 主墩支座水平力 (kN)

表4 主墩墩底彎矩 (kN·m)

5 E1地震作用下變寬箱梁計算結(jié)果分析

地震作用下，支座可以起到耗能作用并顯著改善結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。根據(jù)規(guī)范要求，支座模擬時應(yīng)反映其力學特性。因此，考慮采用支座摩擦效應(yīng)的非線性時程法進行抗震計算。

5.1 固定墩處主墩支座最大水平力

由表5～6可知，支座最大水平力為橫向控制，主要原因為橫向墩柱是雙柱墩，剛度較大，橫向位移較小，支座摩擦耗能作用有限。最大水平力在47#墩處，原因在于橫向水平力幾乎全部由單個固定支座承擔，對抗震極為不利，且水平力遠遠大于設(shè)計值。因橫向設(shè)置了雙固定支座，45#墩處支座水平力得以均分，故可通過提高支座水平抗力(提高至豎向承載能力的30%)來解決。

表5 地震波沿順橋向輸入 (kN)

表6 地震波沿橫橋向輸入 (kN)

5.2 墩底最大彎矩

由表7可知，橫橋向或順橋向地震作用下，墩底最大彎矩均發(fā)生在主墩處。原因在于橋面加寬后，根據(jù)正常變位需求，橫向和縱向均只設(shè)1～2個固定支座，與地震力的增加不匹配，加之活動墩對抗震的貢獻非常少，導致固定墩承擔了幾乎全部的地震作用。

墩底最大彎矩并未發(fā)生在支座水平力最大的47#主墩處，而是發(fā)生在46#過渡墩處，原因在于墩底彎矩是上部所有支座水平力共同作用的結(jié)果，而46#墩處的總反力大于47#墩。同時，因橋墩橫向為框架結(jié)構(gòu)，45#墩橫向設(shè)置雙固定支座后，支座水平力得以均分，故其對墩底彎矩的影響不大。

表7 墩底截面最大彎矩 (kN·m)

注：“-1”表示輔墩，“-2”表示主墩。

等效屈服彎矩采用截面M-Φ[4]的計算結(jié)果。其中，材料強度取為設(shè)計值，具體計算結(jié)果如表8～9所示。

由表8～9可知，地震動沿順橋向輸入時，僅固定墩處主墩屈服；地震動沿橫橋向輸入時，所有主墩均屈服，所有輔墩均未屈服。

根據(jù)規(guī)范要求，E1地震作用下的性能目標為“結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)在彈性范圍內(nèi)，基本無損傷，震后可立即恢復使用”。因此，此類箱梁的抗震設(shè)計中，應(yīng)大幅度增加其橫向尺寸。

表8 墩底截面驗算-順橋向

表9 墩底截面驗算-橫橋向

注：“-1”表示輔墩，“-2”表示主墩。主輔墩墩底沿截面周邊配置了直徑為28 mm的主筋，其間距為10 cm。

本項目同時對同等跨徑的主線等寬段進行了計算分析。結(jié)果顯示：E1地震作用下，地震動沿順橋向輸入時，墩柱最大彎矩與變寬橋較為接近；地震動沿橫橋向輸入時，墩柱最大彎矩為12 047 kN，對應(yīng)等效屈服彎矩為9 427 kN·m。

通過對比可知，地震動沿橫橋向輸入時，高架橋變寬段為抗震不利段，抗震計算時需重點考慮。

6 結(jié)論及建議

E1地震作用下，沿順橋向和橫橋向分別輸入地震動，按反應(yīng)譜法、線性時程法和非線性時程法等三種計算方法分別計算支座最大水平力及墩底彎矩，同時，采用考慮支座摩擦效應(yīng)的非線性時程方法對變寬箱梁進行計算，得出如下結(jié)論:

(1) 地震波沿順橋向輸入時，采用反應(yīng)譜法和線性時程法的計算結(jié)果較為接近，最大誤差在20%以內(nèi)；采用非線性時程法的計算結(jié)果遠小于以上兩種計算方法。

(2) 地震波沿橫橋向輸入時，三種方法的計算結(jié)果較為接近，且誤差均在10%以內(nèi)。

(3) 地震作用下，支座可以起到耗能作用并顯著改善結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。根據(jù)規(guī)范要求，支座模擬時應(yīng)反映其力學特性。因此，考慮采用支座摩擦效應(yīng)的非線性時程法進行抗震計算。

(4) 橫向設(shè)置雙固定支座可減小支座水平力，但對墩底彎矩的影響不大。

(5) 地震動沿橫橋向輸入時，高架橋變寬段為抗震不利段，抗震計算時須重點考慮。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，E1地震作用下，要求結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，支座不能被剪斷，橋墩不能屈服。對支座而言，可通過設(shè)置雙固定支座及提高支座水平抗力來滿足要求[5]。但支座水平抗力不能無限增加，一是增加成本，二是會造成下部結(jié)構(gòu)受力的無限增加。對橋墩而言，可通過增加結(jié)構(gòu)尺寸和配筋來滿足要求。若適當增加尺寸可解決問題，大多數(shù)設(shè)計單位和業(yè)主均能接受；若需大幅增加墩柱尺寸，意味著輔道斷面布置、凈空、橋梁景觀效果、工程投資規(guī)模等都將受到極大影響，故不能被大多數(shù)設(shè)計單位和業(yè)主接受。綜上，對于此類高架橋，應(yīng)盡量采用減隔震支座來減小橋梁的地震響應(yīng)，延長橋梁使用周期。