摘要：“生命線工程”主要是指維持城市生存系統(tǒng)以及能夠?qū)τ趪?guó)計(jì)民生造成影響的工程項(xiàng)目，主要包括了排水、供水、電力、電話、無線電和電視等，同時(shí)還包括了公路，鐵路、航道等交通系統(tǒng)。其中最為關(guān)鍵的組成部分就是橋梁。它在應(yīng)對(duì)洪水和地震等地質(zhì)災(zāi)害，以及跨越復(fù)雜地形條件發(fā)揮著非常重要的作用。橋梁結(jié)構(gòu)的安全與否關(guān)系著整個(gè)交通系統(tǒng)的是否運(yùn)營(yíng)暢通，對(duì)交通系統(tǒng)的抗災(zāi)害能力以及養(yǎng)護(hù)維修帶來非常大的影響。文章主要論述在西南地區(qū)高地震烈度下，某些情況下當(dāng)路線縱斷面的設(shè)計(jì)受到影響，或者空間、地形有特殊要求時(shí)（例如市區(qū)），采用矮墩大跨進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)橋墩、基礎(chǔ)對(duì)地震的響應(yīng)表現(xiàn)情況，以及對(duì)于減震、隔震措施進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：高烈度區(qū)""中小跨徑城市""矮墩高架橋梁""地震響應(yīng)分析

中圖分類號(hào)：U442"""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Seismic"Response"Analysis"of"Small-and"Medium-Span"Urban"Short"Pier"Viaducts"in"High"Earthquake-Intensity"Areas

CHEN"Han

（Sichuan"Communication"Surveying"amp;"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Chengdu，"Sichuan"Province，"610000"China）

Abstract："\"Lifeline"engineering\""mainly"refers"to"the"engineering"projectsnbsp;that"maintain"the"urban"survival"system"and"can"affect"the"national"economy"and"the"people's"livelihood，"which"mainly"includes"drainage，"water"supply，"electricity，"telephone，"radio"and"television，"as"well"as"highways，"railways，"waterways"and"other"transportation"systems."Among"them，"the"most"critical"component"is"the"bridge，"and"it"plays"a"very"important"role"in"coping"with"geological"disasters"such"as"floods"and"earthquakes"and"in"crossing"complex"topographic"conditions."Whether"the"bridge"structure"is"safe"is"related"to"whether"the"whole"traffic"system"is"operating"smoothly，"which"has"a"great"impact"on"the"disaster"resistance"ability"and"maintenance"of"the"traffic"system."This"article"mainly"discusses"the"response"performance"of"piers"and"foundations"to"earthquakes"and"the"measures"for"seismic"absorption"an"isolation"when"using"short"piers"and"long"spans"for"design"when"the"design"of"the"route"profile"is"affected，"or"space"and"terrain"have"special"requirements"（such"as"urban"areas）"in"some"cases"under"the"high"earthquake-intensity"in"southwest"China.

Key"Words："High"earthquake-intensity"area;"Small-and"medium-span"city;"Short"pier"viaduct;"Seismic"response"analysis

常規(guī)項(xiàng)目之中大跨橋墩一般采用柔性高墩。由于柔性高墩具有良好的變形能力，對(duì)地震與混凝土的結(jié)構(gòu)收縮，溫度等因素具有較好的承載能力。然而某些特殊條件下，因?yàn)橛型獠凯h(huán)境的影響，必須采用矮墩設(shè)計(jì)。例如，因?yàn)榻董h(huán)境的各項(xiàng)要求，以及道路和線路方面的需求。由于橋墩較矮，橋墩本身剛度非常大，在地震力作用下極易發(fā)生脆性破壞。文章主要闡述了在高烈度區(qū)中小跨徑城市矮墩橋梁地震響應(yīng)分析與橋梁設(shè)計(jì)的各方面的影響。

1"地震動(dòng)輸入及地震響應(yīng)分析

1.1"動(dòng)力計(jì)算模型

該橋梁是使用MidasCivil軟件創(chuàng)建的，主要是通過利用橋梁結(jié)構(gòu)空間模型，采用反應(yīng)譜法進(jìn)行抗震分析，主梁、橋墩和承臺(tái)、樁基均采用空間梁?jiǎn)卧M。[1]對(duì)于橋梁構(gòu)造做出沖擊阻尼的分析，橋梁設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)經(jīng)過解析之后，模型是可以正確反應(yīng)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。同時(shí)也可以將E1和E2地震所引起的振動(dòng)模態(tài)，形狀以及內(nèi)力作出反應(yīng)。大多數(shù)情況下，橋梁構(gòu)造在動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，必須要滿足以下幾點(diǎn)：（1）對(duì)于模型之中的梁和柱進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)卧|(zhì)量的空間單位模擬實(shí)現(xiàn)且柱子和梁之間單元?jiǎng)澐直仨氁獙?duì)于結(jié)構(gòu)的實(shí)際力做出表示；（2）要利用模擬立柱的具體效果，其中必須要將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采用。

1.2"樁土效應(yīng)的有限元分析

因?yàn)闃蚨蛰^矮，加上有溫度效應(yīng)、混凝土收縮徐變的影響，在橋梁支柱內(nèi)部的抗震比較大。在矮墩高架橋模擬具體過程當(dāng)中，不能夠直接連接到固結(jié)。在矮墩具體計(jì)算的時(shí)候，樁身的空間應(yīng)用只能夠?qū)⑵渥鳛閺椥詮椈?，同時(shí)利用“土彈簧M法”模擬樁周基礎(chǔ)。[2]對(duì)于橋墩和基礎(chǔ)具體分析的時(shí)候，要充分考慮樁土效應(yīng)情況下墩頂內(nèi)力、水平位移、裂縫，區(qū)別直接采用固定支座模擬墩柱的強(qiáng)度和內(nèi)力展示效果是完全不同的，所以對(duì)于矮墩作出建立模型的時(shí)候要考慮到所有荷載影響，這樣才能夠在進(jìn)行計(jì)算時(shí)更準(zhǔn)確，避免材料浪費(fèi)，如圖1所示。

1.3"地震響應(yīng)分析

通過反應(yīng)譜法來進(jìn)行分析，具體反應(yīng)能夠直接分析出E1，E2地震之下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)。在對(duì)于反應(yīng)譜做出分析之后，地震的輸入方向有兩種，即“縱橋向+豎向”“橫橋向+豎向”。方向組合使用SRSS方法，模式組合使用CQC方法（在以下計(jì)算中，正軸力稱為壓力，負(fù)值稱為拉伸應(yīng)力）。地震反應(yīng)分析表明，在縱橋向，3#墩（固定墩）控制結(jié)構(gòu)下部設(shè)計(jì)。在橫橋向，橋墩的高度會(huì)直接影響到橋墩的彎矩，但是在橋墩結(jié)構(gòu)下部進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，和1#和2#非常類似。

1.4"抗剪能力驗(yàn)算

采用橋墩形成柔性鉸鏈的假設(shè)，依據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T"02-01-2008）中橋梁抗剪強(qiáng)度的公式進(jìn)行抗剪設(shè)計(jì)。但是，矮墩設(shè)計(jì)需要靈活性，不適用?！豆蜂摻罨炷良邦A(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD"62—2012）中的抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式僅適用于梁，不適用于塑性設(shè)防水準(zhǔn)和抗震設(shè)防性能目標(biāo)。

根據(jù)規(guī)范要求橋墩不可以發(fā)生任何損壞。為了防止此情況發(fā)生，在地震力縱橫向組合之后，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T02-01-2008）第7.3.2條，以小于2.5（或小于2.5）的尺寸（對(duì)于計(jì)算長(zhǎng)度與圓形直徑的比例）計(jì)算橋墩。這是橋梁能夠起到抗震作用的最大能力。換句話說，在E2地震之中，橋梁必須要保持大震不壞。

1.5"樁基抗剪能力驗(yàn)算

主墩的樁基直徑為1.8"m。在單支柱控制項(xiàng)之下，一共有38根直徑28"mm根鋼筋。過渡墩樁徑為1.6"m，通過利用結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)能夠得到彎矩的數(shù)據(jù)，最后可以計(jì)算出單負(fù)軸力?？v向和橫向進(jìn)行連接的位置有著不同荷載組合，整體范圍必須要保持在一定的范圍之內(nèi)，盡可能地滿足抗震性能的具體要求。

1.6"下部結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)動(dòng)力特性的敏感性分析

本篇文章對(duì)于下部結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)作出調(diào)整，并且分析出了這種類型的結(jié)構(gòu)特性存在的影響。（1）通過將墩身高度做出調(diào)整，能夠直接決定柱內(nèi)力的變化。將其調(diào)整為10"m或者更高此時(shí)墩身內(nèi)力對(duì)地震力的響應(yīng)在可控范圍內(nèi)。其他的任何結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)都不用發(fā)出任何變化，只需要將10"m以下墩高做出修改。在經(jīng)過對(duì)比分析之后可以發(fā)現(xiàn)：（2）墩高從之前的9.5"m直接上升到10"m。在第一階的內(nèi)力沒有發(fā)生明顯變化，在第二階是主墩出現(xiàn)反對(duì)稱豎向彎矩。可見在第二階會(huì)涉及到主墩的不對(duì)稱彎曲。因?yàn)楦叨炔粩嘣黾?，在本階段當(dāng)中不良的周期會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)它也會(huì)對(duì)于主柱的垂直力增加，墩柱受到壓彎影響。[3]模態(tài)的其他不同階段并不會(huì)影響到頻率，因?yàn)樽钪饕闹鞫諈⑴c不是很明顯。（3）如果主墩的高度降低，到8M的時(shí)候，橋墩的內(nèi)力會(huì)明顯提升，基本上前6階是主墩和邊墩的震動(dòng)。在第7階主墩的側(cè)向位移增大，墩的剛度增大，使得周期有一定的縮短。

1.7"板式橡膠支座計(jì)算高架橋最大地震響應(yīng)

通過利用時(shí)長(zhǎng)對(duì)于高架橋的反應(yīng)譜曲線做出分析。計(jì)算順橋向和橫橋向的橋梁最大地震響應(yīng)，驗(yàn)算設(shè)計(jì)值是否滿足抗震要求。[5]利用彈性反應(yīng)譜理論，模型施加對(duì)應(yīng)的水平地震荷載，這樣就可以將支座位移時(shí)所需要用到的水平剪力K計(jì)算出來，具體公式為

式中：m為板式橡膠支座數(shù)T為支座厚度Gr為第r個(gè)支座剪切模量Jr為第r個(gè)橡膠支座面積。順橋向地震時(shí)，判定水平剪力K下產(chǎn)生的支座剪切變形，會(huì)使下部墩頂?shù)奈灰?、與上部結(jié)構(gòu)的位移產(chǎn)生不同。根據(jù)橋墩位移相等原則，將橋墩轉(zhuǎn)換為等效截面墩，等效截面慣性矩計(jì)算公式為

式中D（x）為x處墩身慣性矩。單獨(dú)考慮r號(hào)橋墩，計(jì)算η，公式為

式中2為r號(hào)墩頂質(zhì)點(diǎn)重力。采用單質(zhì)點(diǎn)體系的基頻和特性參數(shù)，則第一振型的第r號(hào)橋墩，其最大地震位移響應(yīng)U和加度響應(yīng)φ計(jì)算公式為

式中：δ表示為單質(zhì)點(diǎn)的體系反應(yīng)譜位移。它和最大的反應(yīng)值以及橋墩的高度呈現(xiàn)了正比例關(guān)系。σ1為第一階振型的振動(dòng)疊加。ε為水平地震系數(shù)。如果橫橋向地震的情況下，對(duì)于橡膠支座上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。橋墩頂能夠?qū)⑸喜康慕Y(jié)構(gòu)橫向位移做出最大的限制。這樣的情況下，橋墩的轉(zhuǎn)換要為等效截面。順橋向和橫橋向的最大地震響應(yīng)都需要做出統(tǒng)計(jì)。是否在板式橡膠支座變形的允許范圍之內(nèi)，如果沒有超過允許值，判定高架橋滿足抗震要求，充分滿足了抗震的需求。在對(duì)于高架橋的最大地震響應(yīng)數(shù)據(jù)計(jì)算完畢之后，要對(duì)于高架橋抗震計(jì)算的方式進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

2"矮墩高架橋設(shè)計(jì)注意點(diǎn)

（1）低橋墩在地震力作用下處于非常不利條件，為了能夠改善結(jié)構(gòu)內(nèi)力，在施工條件的基礎(chǔ)上盡量考慮降低樁頂?shù)母叱?，這樣更好地減少低橋墩的剛度。（2）直線橋梁要將上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化（例如采用鋼結(jié)構(gòu)），盡量減少橋墩受力。對(duì)于矮墩抗震的影響非常重要。（3）混凝土收縮徐變對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常大的影響力。所以在具體設(shè)計(jì)和施工階段當(dāng)中，要對(duì)于混凝土材料的具體選擇進(jìn)行高度重視。

3"技術(shù)特點(diǎn)分析

3.1"大跨度矮墩高架橋的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在某一個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中主墩的高度為13.155"m，主跨的高度是155"m，墩跨比小于1/10，們可以將其作為跨度比較大的矮墩連續(xù)體系。整個(gè)設(shè)計(jì)之中可以利用以下措施來將橋梁的受力做出改進(jìn)。（1）對(duì)樁基效應(yīng)做出充分考慮。為了可以將矮墩連續(xù)橋梁的具體變形和結(jié)構(gòu)內(nèi)力做出計(jì)算需要對(duì)受力的主要特性進(jìn)行研究。及時(shí)構(gòu)建有限元分析模型，這個(gè)時(shí)候要對(duì)于樁—土—結(jié)構(gòu)的相互作用做出參考。（2）中跨合龍的具體施工當(dāng)中需要利用頂推力將橋墩的受力做出調(diào)節(jié)。[6]在中跨合龍之前懸臂端部需要施加一定的反頂力，這個(gè)時(shí)候可以將墩身的受力情況作出良好改善。不僅能夠?qū)⑵湔{(diào)節(jié)到最優(yōu)的狀態(tài)，而且在中跨合龍及時(shí)施加的頂推力，就可以判斷出收縮前后的橋墩內(nèi)力。最終的結(jié)果可以充分表明，橋墩的受力狀態(tài)是完全合理的。（3）橋墩的臨時(shí)支撐。在進(jìn)行懸臂澆筑的時(shí)候，主墩0號(hào)塊需要臨時(shí)設(shè)置好支撐。這樣懸臂澆筑的時(shí)候，不對(duì)稱施工荷載會(huì)對(duì)于上下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響大大降低。（4）不斷加強(qiáng)橋墩配筋率。在墩底最不好的位置，就是單側(cè)配置的雙排直徑32"mm的受拉鋼筋。它的縱向鋼筋配筋率達(dá)到1.29%。單側(cè)的受拉鋼筋配筋率達(dá)到0.52%。（5）中跨合龍的溫度一定要適中。橋梁具體在的區(qū)域要調(diào)查年氣溫變化的具體資料，同時(shí)根據(jù)項(xiàng)目的區(qū)域溫度特征來選取最適合的度數(shù)。

3.2nbsp;延性設(shè)計(jì)理論及結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型處理

結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計(jì)的基本原理[7]為允許結(jié)構(gòu)的部分構(gòu)件在預(yù)期的地震作用下發(fā)生反復(fù)的彈塑性變形，這些構(gòu)件被設(shè)計(jì)成具有較好的滯回延性，通過彈塑性變形耗散掉大量的地震輸入能量，從而保證了結(jié)構(gòu)的抗震安全。由前一節(jié)的抗震驗(yàn)算可知，在罕遇地震作用下，3＃固定墩無論縱橋向還是橫橋向均已經(jīng)進(jìn)入延性，且3＃墩墩底截面響應(yīng)最大，對(duì)該橋墩進(jìn)行延性計(jì)算分析。計(jì)算模型采用三維非線性梁?jiǎn)卧?，三維非線性梁?jiǎn)卧卿摻罨炷两Y(jié)構(gòu)非彈性分析中較為細(xì)化并接近實(shí)際結(jié)構(gòu)受力性能的分析模型，應(yīng)用范圍較廣。按照實(shí)配鋼筋對(duì)中墩截面進(jìn)行劃分，分別對(duì)鋼筋、約束混凝土和非約束混凝土單元賦予上述彈塑性材料本構(gòu)模型。其中紅色區(qū)域即為約束核心混凝土區(qū)域，灰色區(qū)域即為非約束混凝土區(qū)域。在強(qiáng)震作用下的彈塑性響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)的粘滯阻尼耗能采用瑞利比例阻尼，阻尼系數(shù)根據(jù)系統(tǒng)的質(zhì)量和初始剛度確定。

3.3"抗震措施研究

3.3.1"減隔震支座

因?yàn)闃蚨蛰^矮，在地震力作用下極易發(fā)生脆性破壞，所以應(yīng)及時(shí)配備減哥震支座減少橋墩受力。[4]通過利用滑動(dòng)雙面球形表面，能夠?qū)㈨敳康慕Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單移動(dòng)，這樣可以對(duì)于震動(dòng)能量做出釋放，能夠起到很好的抑制作用。

3.3.2"阻尼器

通過利用比較成熟的液壓粘性減震器。它主要是通過利用氣缸阻尼孔以及活塞進(jìn)行組成的。在力學(xué)性能上進(jìn)行分析，最常用到的單質(zhì)阻尼器可以分為線性和非線性兩種，具體的抗震性能可以利用式（5）表示。

式（5）中：F為阻尼力；C為阻尼系數(shù)；v為速度；ζ為阻尼指數(shù)。在溫度不變的情況下，粘滯阻尼器的阻力一般為0。動(dòng)力荷載如果能夠達(dá)到最大變形的情況下，阻尼器的功率可以直接接近0的最小值。和位移進(jìn)行比較，阻尼器的最大功率能夠達(dá)到最大值。在橋上進(jìn)行安裝阻尼器這個(gè)方案，它的兩側(cè)兩端和橋臺(tái)背墻之間都必須要設(shè)置好垂直黏滯阻尼器。阻尼的系數(shù)C為2"000，而阻尼器速度指數(shù)α為0.4，阻尼器噸位采用1"600"kN。

4"結(jié)語(yǔ)

針對(duì)大跨度矮墩橋梁抗震設(shè)計(jì)建議以下幾點(diǎn)措施：（1）對(duì)于結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行優(yōu)化，可以利用粘性阻尼器將震動(dòng)效應(yīng)有效釋放掉；（2）設(shè)置減隔震支座，有效的將地震反應(yīng)全部分散在活動(dòng)橋墩和固定橋墩之間，同時(shí)利用摩擦分散擺動(dòng)能量，將墩頂?shù)膹澗鄿p少90%，這樣可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，大大提高橋梁使用壽命；（3）梁端要設(shè)置好縱向固定阻尼器，這樣不僅可以減少梁體的位移，而且能夠分擔(dān)縱向的地震響應(yīng)。

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