劉 星

寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏銀川 750001

跨徑30m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋在我國(guó)公路建設(shè)中的應(yīng)用十分廣泛，在很多高速公路中都被大面積使用。T梁橋的下部結(jié)構(gòu)，其墩臺(tái)尺寸及配筋一般是根據(jù)具體情況經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算分析后予以確定，各地區(qū)尤其是不同地震烈度區(qū)內(nèi)的下部結(jié)構(gòu)尺寸及配筋形式存在很大差別。本文以抗震設(shè)防烈度為8度 （0.2g）的某地區(qū)高速公路上典型3×30m連續(xù)T梁橋?yàn)槔?，通過(guò)比較詳細(xì)的抗震計(jì)算分析，最終確定適合于該地區(qū)可廣泛使用的墩柱、樁基截面尺寸及配筋形式，可為今后的工程實(shí)際提供一些參考。

1 模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)概況

假定橋梁是某地區(qū)高速公路上n×30m連續(xù)T梁橋其中3×30m的一聯(lián)。橋?qū)挒?×12.75，分為左右兩幅。下部結(jié)構(gòu)為蓋梁下樁基接圓柱墩形式，墩高分別為9、9、12、12m，樁頂布置系梁。墩柱直徑為1.4m，樁基直徑為1.6m，蓋梁尺寸 （寬×高） 為1.6m×2.0m，系梁尺寸 （寬×高） 為1.2m×1.4m，橫斷面布置如圖1。

圖1 橋梁橫斷面布置

上部結(jié)構(gòu)T梁及下部結(jié)構(gòu)分別采用C50和C30混凝土，中間兩個(gè)連續(xù)墩處采用HDR （I） -520×570×237-G1.0高阻尼隔震型橡膠支座，首尾兩個(gè)非連續(xù)墩處采用LNR （H） -420×420×149水平力分散型橡膠支座。

1.2 地震動(dòng)參數(shù)

抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)加速度峰值為0.2g，特征周期為0.45s，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，由《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/TB02-01-2008） （以下簡(jiǎn)稱《抗震細(xì)則》） 可知抗震設(shè)防類別為B類，按高速公路上的大橋，抗震重要性系數(shù)E1地震作用下為0.5，E2地震作用下為1.7。由于不是某一座特定位置的實(shí)際橋梁，故計(jì)算采用多振型反應(yīng)譜分析法，減隔震支座的剛度采用其等效剛度，不考慮其非線性特性，整個(gè)設(shè)計(jì)思路采用延性設(shè)計(jì)，即允許墩柱進(jìn)入塑性狀態(tài)，墩柱抗剪及樁基按能力保護(hù)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.3 建立有限元模型

采用MIDAS CIVIL有限元分析軟件建立3×30m連續(xù)T梁全橋模型，上部結(jié)構(gòu)6片T梁按梁格法模擬。對(duì)于樁基僅考慮剛度因素，忽略其慣性力的影響，即采用6×6的樁土相互作用彈簧剛度矩陣來(lái)模擬每根樁頂處的剛度，剛度計(jì)算采用“m”法[1]。

墩柱在地震作用下內(nèi)力大小與自身剛度及其與相鄰墩柱的相對(duì)剛度有關(guān)，高度較矮的墩由于相對(duì)剛度較大，其承擔(dān)的地震力也相應(yīng)較大，對(duì)于研究9m高度的連續(xù)墩來(lái)說(shuō)，該聯(lián)橋墩柱采用9、9、12、12m的高度時(shí)，該9m高度連續(xù)墩受力更為不利，故出于保守考慮，按此墩高設(shè)置，有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

2 E1地震作用下的計(jì)算

采用E1反應(yīng)譜分析，所得9m高度的連續(xù)墩墩身在地震作用下的內(nèi)力如表1所示。

表1 E1地震作用下墩柱內(nèi)力

《抗震細(xì)則》規(guī)定在E1地震作用下，結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作，基本不損傷[2]。墩柱、樁基的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 E1地震作用下墩柱、樁基強(qiáng)度驗(yàn)算

墩柱豎向主筋配置為28根Φ28，配筋率1.12%，箍筋采用等級(jí)為HPB300、直徑10mm的雙螺旋箍筋并置形式，箍筋加密區(qū)間距為7.5cm；樁基采用 （14+14） 根Φ28 （樁身通長(zhǎng)鋼筋14根），樁基配筋率0.86%。對(duì)比上表可知墩柱、樁基均滿足正截面抗壓承載力的要求。

對(duì)于樁頂系梁，同樣應(yīng)滿足彈性設(shè)計(jì)要求。系梁截面頂?shù)字鹘钜话銥棣?2，間距按15cm左右布置，即頂?shù)锥紴?根主筋，則其正截面抗彎承載力為1445kN·m；而E1地震作用下橫橋向系梁端部的負(fù)彎矩值達(dá)1739kN·m，故目前系梁鋼筋配置不滿抗彎承載力要求。如按主筋間距10cm布置，頂?shù)锥紴?2根主筋，則正截面抗彎承載力可提高至1927kN·m，滿足要求。

3 E2地震作用下的計(jì)算

采用E2反應(yīng)譜分析，可知樁頂系梁在橫橋向地震作用下的梁端負(fù)彎矩達(dá)5911kN·m，而系梁截面頂?shù)字鹘畈捎忙?2，如按間距10cm布置，則按實(shí)配鋼筋材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算所得的正截面抗彎承載力為2335kN·m，故E2地震作用下，系梁作為耗能構(gòu)件必然最先發(fā)生損壞，故計(jì)算墩柱及樁基不應(yīng)考慮系梁的作用。按無(wú)系梁模型計(jì)算后可得9m高度連續(xù)墩墩身在地震作用下的內(nèi)力如表3所示。

表3 E2地震作用下墩柱內(nèi)力

3.1 墩柱驗(yàn)算

根據(jù)恒載軸力和E2地震作用下軸力的組合值，通過(guò)M-Φ曲線分析，可得墩柱在不同狀況軸力下的等效屈服彎矩如表4所示。

表4 E2地震作用下墩柱等效屈服彎矩

由表3、4可知，E2地震作用下順橋向墩底、橫橋向墩頂?shù)牡刃澗鼐∮谄涞卣饍?nèi)力值，均進(jìn)入塑性狀態(tài)，發(fā)生損傷。此時(shí)墩柱的抗剪須按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)，其塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的斜截面抗剪強(qiáng)度要滿足《抗震細(xì)則》（ 7.3.4） 條的計(jì)算規(guī)定。

不難得出9m高度連續(xù)墩墩身順橋向超強(qiáng)彎矩為1.2×5873=7047.6（ kN·m），順橋向剪力設(shè)計(jì)值為7047.6/9=783.1（ kN）。

對(duì)于橫橋向，第一迭代計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 橫橋向第一次迭代計(jì)算結(jié)果

建立單獨(dú)的蓋梁墩柱計(jì)算模型，將上表中蓋梁水平力施加于模型中，得出墩柱軸力和恒載軸力疊加后的第二次迭代計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 橫橋向第二次迭代計(jì)算結(jié)果

由表6可知兩次計(jì)算的蓋梁等效水平力相差-2.39%，故墩柱橫橋向剪力設(shè)計(jì)值可認(rèn)為是1805.7kN。

根據(jù)《抗震細(xì)則》 （7.3.4） 條，對(duì)于現(xiàn)狀墩柱箍筋配置，可得出墩柱斜截面抗剪強(qiáng)度值為1488kN。所以，墩柱塑性鉸區(qū)域橫橋向的斜截面抗剪不滿足規(guī)范要求，需增加箍筋的配置。如果采用HRB400的圓環(huán)焊接箍筋，加密區(qū)間距7.5cm，當(dāng)箍筋直徑分別為12、14、16mm時(shí)，墩柱斜截面抗剪強(qiáng)度值分別為1327、1754、2248kN。由此可知，只有至少采用直徑16mm的箍筋時(shí)，才能完全滿足規(guī)范要求，而采用直徑14mm的箍筋時(shí)，墩柱斜截面抗剪強(qiáng)度與剪力設(shè)計(jì)值相差不大，考慮到超強(qiáng)系數(shù)1.2的存在，基本也可認(rèn)為是滿足能力保護(hù)設(shè)計(jì)要求的。

3.2 樁基驗(yàn)算

樁基作為能力保護(hù)構(gòu)件，在E2地震作用下應(yīng)基本不發(fā)生損傷。所以，和E1地震作用下類似，E2地震作用下樁基仍需按照壓彎構(gòu)件，驗(yàn)算其承載能力。樁基計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 E2地震作用下樁基強(qiáng)度驗(yàn)算

目前樁基配筋采用 （14+14） 根Φ28，樁基配筋率0.86%不能滿足樁身完全按線彈性計(jì)算的承載力要求，而樁基需求配筋率1.7%只有采用像 （14+14+28） 根Φ28的束筋 （在原配筋的基礎(chǔ)上再增加28根鋼筋組成束筋） 才能達(dá)到?！犊拐鸺?xì)則》中規(guī)定：在驗(yàn)算樁基礎(chǔ)截面抗彎強(qiáng)度時(shí)，截面抗彎能力可采用材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。相應(yīng)條文說(shuō)明指出由于地震是偶遇荷載，故可采用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。所以，這里可以采用材料標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)樁基重新進(jìn)行驗(yàn)算。更為簡(jiǎn)便地，可直接根據(jù)樁身的M-Φ曲線分析，得出樁身在實(shí)配鋼筋下的等效屈服彎矩，與樁身最大彎矩進(jìn)行比較。

現(xiàn)修改樁基配筋為束筋形式 （14+14+28） 根Φ25，總配筋率為1.37%，即從樁頂?shù)綐俄斠韵?0m左右范圍增加28根鋼筋組成束筋，10m以下按常規(guī)一半鋼筋伸至樁頂以下18m左右，另一半通長(zhǎng)布置。此時(shí)樁基在軸力5125、1854和8396kN下的等效屈服彎矩分別為9314、7989和10412kN·m，均大于對(duì)應(yīng)的樁身最大彎矩，此時(shí)可認(rèn)為樁基滿足承載力要求。

4 關(guān)于墩柱箍筋配置

墩柱潛在塑性鉸區(qū)域內(nèi)加密箍筋須滿足《抗震細(xì)則》 （8.1.2）條最小體積含箍率的要求，計(jì)算公式為：

針對(duì)本文的計(jì)算模型，對(duì)9m高度連續(xù)墩的最小體積含箍率進(jìn)行計(jì)算。箍筋分別采用HPB300、HRB400，結(jié)果如表8所示。

表8 最小體積含箍率比較

由表8可知，提高箍筋等級(jí)可以降低最小體積含箍率的限值要求。當(dāng)箍筋采用等級(jí)為HPB300、直徑10mm的雙螺旋箍筋并置形式，加密區(qū)間距為7.5cm時(shí)，墩柱的實(shí)際箍筋體積含箍率為0.644%；當(dāng)采用等級(jí)為HRB400、直徑分別為12、14、16mm的圓環(huán)焊接箍筋，加密區(qū)間距為7.5cm時(shí)，實(shí)際箍筋體積含箍率分別為0.464%、0.631%、0.825%。

所以，當(dāng)采用等級(jí)為HRB400、直徑16mm的圓環(huán)焊接箍筋，加密區(qū)間距為7.5cm時(shí)，滿足對(duì)應(yīng)其鋼筋等級(jí)的最小體積含箍率要求。

5 結(jié)語(yǔ)

由靜力計(jì)算和工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合而確定的30m連續(xù)T梁橋下部結(jié)構(gòu)配筋形式，在地震作用下，有些環(huán)節(jié)不滿足延性體系的抗震設(shè)計(jì)要求。所以，需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的抗震計(jì)算后對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整和修正。

①對(duì)于樁接柱的下部結(jié)構(gòu)形式，工程習(xí)慣上采用的樁柱縱向鋼筋等直徑、等根數(shù)配置明顯不符合樁基按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)要求。在墩柱采用的縱向鋼筋配置滿足靜力計(jì)算、E1地震計(jì)算下線彈性要求，最小配筋率要求和工程習(xí)慣要求的條件下，應(yīng)盡可能地增加樁基的縱向配筋率，以保證樁基基本不受損壞，而采用束筋不失為一種很好的方式。

②習(xí)慣上墩柱采用的等級(jí)為HPB300、直徑10mm的雙螺旋箍筋并置形式很難滿足墩柱的斜截面抗剪和最小體積含箍率要求，應(yīng)全面改為等級(jí)為HRB400，直徑更大的圓環(huán)焊接箍筋。

③以往不重視系梁的計(jì)算和主筋配置，其實(shí)作為耗能構(gòu)件，雖然容許在E2地震作用下發(fā)生破壞，但為了滿足E1地震作用下的線彈性設(shè)計(jì)要求，應(yīng)適當(dāng)增加系梁的主筋配置。

本文只是針對(duì)30m連續(xù)T梁橋9m高度的下部結(jié)構(gòu)做了一定的抗震計(jì)算分析，得出的結(jié)論可以給工程實(shí)際一定的參考。對(duì)于其他墩更矮或墩更高的下部結(jié)構(gòu)，其地震反應(yīng)會(huì)有很多不同，同樣需要全面的計(jì)算，才能最終確定出合理的鋼筋配置形式，確保結(jié)構(gòu)的安全。