胡春

摘要 為了保證橋梁抗震設計水平，文章探討了靜力法、反應譜法、動態(tài)時程法等在高墩橋梁地震響應分析中的應用，從地震波選取、橋墩形式選擇、橫向鋼筋設計、縱向鋼筋設計、減隔震技術設計等方面分析了高墩橋梁的抗震設計要點。同時，利用有限元軟件建立模型，分析了某高墩橋梁的側向峰值位移和曲率對地震力的響應，研究成果可為高墩橋梁抗震設計提供理論指導。

關鍵詞 高墩；橋梁結構；地震響應；設計要點；有限元

中圖分類號 U443.22文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0120-03

0 引言

隨著經濟發(fā)展，越來越多的公路工程在山區(qū)開工建設。山區(qū)地勢起伏大，往往需要設計較高的墩柱。橋墩是橋梁結構的主要承重構件，在地震力作用下，容易出現(xiàn)支座大變形剪切、落梁破壞等病害，導致巨大的經濟損失或人員傷亡。近年來，國內外很多學者利用數(shù)值模擬、室內試驗等措施分析了橋梁墩柱的設計要點和地震響應規(guī)律，但由于高墩橋梁受力機理復雜，仍未形成統(tǒng)一的成果[1]。如何開展橋梁高墩抗震設計，提升橋梁在建設和運營期間的安全性，是技術人員需要解決的重要問題。

1 高墩橋梁地震響應分析方法

根據相關研究成果，可將橋墩高度大于40 m的橋梁視作高墩橋梁。高墩橋梁在設計時要對地震響應進行分析，目前概率性地震響應分析法不成熟，大部分國家是采用確定性地震響應分析方法，比如靜力法、反應譜法、動態(tài)時程法等。不同分析方法的適用條件總結見表1[2]。

1.1 靜力法

靜力法是橋梁結構抗震分析最早使用的方法，它假設結構是完全剛性的，運動特點與地震波相同，此時作用在橋梁結構上的慣性力F可用式（1）計算：

1.2 反應譜法

1.3 動態(tài)時程法

對于重要橋梁結構，一般是先利用反應譜分析法開展初步抗震概念性設計，再利用時程分析法評估結構的地震反應。

動力時程分析法需要先建立橋梁結構的動力分析模型，將地震波作為激勵輸入進動力方程中，并求解動力方程得到地震反應時程曲線。需注意，動態(tài)時程法計算工作量大，人工計算難度大，一般是利用計算機軟件開展分析。

2 高墩橋梁抗震設計要點分析

2.1 抗震設防目標

由《公路橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020，簡稱《規(guī)范》）可知，高墩橋梁可根據公路等級、單跨跨徑等因素劃分為A類、B類、C類、D類，其中A類、B類、C類橋梁需考慮兩水準抗震設防，D類橋梁考慮一水準抗震設防，不同橋梁的抗震設防目標如表2所示[4]。

2.2 地震波選取及地震作用組合

2.2.1 地震波選取

高墩橋梁抗震設計的第一步就是要選擇合適的地震波，這樣才能準確地模擬橋梁所處的實際環(huán)境。目前，選取地震波的方法有兩種：一是采用擬建場地的實際地震波。實際地震波不易獲取，且地震波在時間上具有較大的隨機性，在波形和頻率上也有較大的隨機性，歷史地震波監(jiān)測數(shù)據不能完全代表將來；二是采用人工合成地震波，即以規(guī)范設計反應譜為目標擬合而成。

2.2.2 地震作用組合

2.3 橋梁墩柱設計

2.3.1 橋墩形式選擇

大量工程實踐表明，高墩橋梁多建設在山嶺地區(qū)，且以曲線橋為主，其橋墩形式會直接影響橋梁結構在地震作用下的穩(wěn)定性。以梁式橋為例，常用的橋墩形式有獨柱T形墩、空心薄壁墩、門架墩、組合墩等，其中獨柱墩的最大特點是截面橫向尺寸小；空心薄壁墩的外觀與獨柱墩相似，但截面橫向尺寸偏大；門架墩（橫向采用系梁連接）的剛度好于獨柱墩和空心薄壁墩，但其抗扭剛度不大。由于橋墩在地震作用下的變形屬于“彎扭耦合”，設計時應選擇抗彎剛度和抗扭剛度大的橋墩。

2.3.2 橫向鋼筋設計

橫向鋼筋在高墩橋梁中的功能主要體現(xiàn)在三個方面：①約束塑性較區(qū)域內混凝土，提高其抗壓強度和延性；②提供抗剪能力；③防止縱向鋼筋壓曲。

高墩橋梁墩柱的混凝土保護層不受橫向鋼筋約束，在地震力影響下容易剝落，無法為橫向鋼筋提供錨固。因此，箍筋應等強度焊接來閉合，或在端部彎過縱向鋼筋伸進混凝土內，伸進長度宜取6倍的箍筋直徑，且不小于10 cm，伸進角度不小于135°。

2.3.3 縱向鋼筋設計

縱向鋼筋配筋率過高或過低都會對高墩橋梁混凝土墩柱的延性產生影響，從而影響墩柱的地震響應?？v向鋼筋配筋率過低，墩柱的抗壓強度小，在地震作用下容易破壞；反之，不利于高墩橋梁墩柱混凝土的澆筑和振搗，大幅度地提高了墩柱的施工難度。《規(guī)范》建議高墩橋梁墩柱的縱向鋼筋面積應控制在0.006Ag～0.04Ag，其中Ag為墩柱截面總面積。同時，為了確保高墩橋梁墩柱的縱向鋼筋在地震力作用下不出現(xiàn)“黏結”破壞，縱筋縱向鋼筋宜伸進蓋梁頂面和承臺底面。需注意，縱筋不應在塑性鉸區(qū)域進行搭接。

2.4 減隔震技術設計

在高墩橋梁抗震設計時，采用減隔震裝置能在滿足正常使用功能的條件下，延長橋梁結構的自振周期，增大阻尼，以快速消耗地震能量，減小橋梁結構對地震力的響應。合理、可靠的減隔震裝置在地震作用下會產生較大的塑性變形，而橋梁的其他構件基本處于彈性狀態(tài)。根據相關研究成果，并不是所有的高墩橋梁都可以使用減隔震技術，比如基礎土層不穩(wěn)定、易液化的場地。橋梁結構基本振動周期較長等情況，而在橋墩高差較大時使用減隔震裝置，效果明顯[6]。

《規(guī)范》將橋梁減隔震裝置劃分為整體型和分離型兩類，前者包括鉛芯橡膠支座、高阻尼橡膠支座、摩擦擺式減隔震支座等，后者包括橡膠支座+金屬阻尼器或摩擦阻尼器。對于高墩橋梁，地震力所引起的墩頂加速度和剪切力較大，支座需提供較大的阻尼，鉛芯橡膠支座的適用性強。鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座內部插進鉛芯棒，以提高橋梁結構阻尼（鉛芯橡膠支座阻尼比在15%～25%，板式橡膠支座阻尼比僅5%左右）。在震級較小的條件下，鉛芯具有一定的剪切強度和剪切剛度，以抵抗水平剪力。反之，鉛芯屈服，能提供較大的剪切變形積聚能量。地震結束后，鉛芯力學性能會恢復。

3 基于有限元軟件的高墩橋梁抗震性能分析

3.1 工程概況

該文以某連續(xù)梁橋為研究對象，利用有限元軟件建立有限元模型，分析墩間距、墩高差等參數(shù)對高墩橋梁地震響應規(guī)律的影響。該橋梁全長120 m，跨徑組合為（40+40+40）m，設計角度為90°，橋面凈寬34 m，見圖1。

橋梁上部結構使用連續(xù)箱梁，梁高為2.5 m，梁體采用C40混凝土澆筑，混凝土重度取25 kN/m3；下部結構選用雙柱墩，墩高50 m；基礎采用直徑1.5 m的鉆孔灌注樁；支座擬采用板式橡膠支座或鉛芯橡膠支座；橋面鋪裝層厚10 cm，其結構組合為：4 cmAC-13C+6 cmAC-20C+防水層。

3.2 有限元模型構建

3.2.1 模型單元

該文選擇梁單元來模擬連續(xù)梁橋的主梁，高墩橋梁的橋墩及樁基采用實體單元模擬。

3.2.2 網格劃分

高墩橋梁模型的網格尺寸會直接影響其抗震計算的準確性和計算速度。一般情況下，網格尺寸越小，高墩橋梁抗震計算越準確，但計算效率低。反之，高墩橋梁的地震響應規(guī)律可能無法反映實際情況。綜合考慮計算效率和計算準確性，該橋梁的網格采用正六面體單元，網格尺寸取0.3 m，共劃分2 262單元、2 816個節(jié)點。

3.2.3 荷載大小

高墩橋梁的荷載取恒載+活載，其中恒載包括梁體、橋面鋪裝、防撞欄等自重，將其簡化成均布荷載；活載中汽車荷載取公路I級、梯度溫度荷載按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTTGD60—2015）取值。此外，高墩橋梁所承受的地震波采用人工合成波。

3.2.4 支座邊界條件

支座可視作高墩橋梁上、下部結構的作用力傳遞的媒介，必須重視其邊界條件的設置，主梁與墩柱之間的邊界條件見表3。

3.3 高墩橋梁地震響應

該文利用有限元軟件計算了E2地震作用下，橋墩在5 m、15 m、25 m、35 m、45 m、50 m處的側向峰值位移和峰值曲率，計算結果見圖2。

圖3計算結果表明：隨著墩高的增加，墩柱的峰值位移不斷增大。當墩高＜5 m，墩柱峰值位移變化不明顯；當墩高≥5 m，墩柱峰值位移與墩高基本呈線性正相關關系，墩高每增加10 cm，峰值位移平均增加4.6 mm。同時，墩柱的峰值曲率隨墩高的增加呈“先增大后減小”的趨勢。墩高為0 m時，峰值曲率達到峰值10.3×10?6 m?1；墩高為5 m時，峰值曲率達到峰值12.8×10?6 m?1；墩高為50 m時，峰值曲率值最小，基本接近0。

4 結論

該文分析了高墩橋梁抗震分析方法和抗震設計要點，并論述了利用有限元軟件計算高墩在地震力作用下的響應規(guī)律，得到以下結論：

（1）高墩橋梁常用的地震響應分析方法有靜力法、反應譜法、動態(tài)時程法等。

（2）高墩橋梁一般是采用兩級設防標準，在設計期間要重視地震波選取、橋墩形式選擇、橫向鋼筋設計、縱向鋼筋設計、減隔震技術設計等。

（3）墩高會對橋梁的地震響應產生較大的影響。隨著墩高的增加，墩側峰值位移不斷增加，峰值曲率先增大后減小。

參考文獻

[1]徐遠賀， 戴廣鵬. 山區(qū)高墩橋梁抗震設計要點分析[J]. 交通世界， 2020（29）： 138-139.

[2]何瑞璽. 山區(qū)高墩橋梁的抗震設計要點與構造措施分析[J]. 工程技術研究， 2018（10）： 145-146.

[3]胡豐玲. 高烈度區(qū)高墩大跨橋梁抗震設計[J]. 現(xiàn)代交通技術， 2018（3）： 45-48.

[4]馬驥. 橋梁高墩抗震設計方法研究[D]. 上海：上海交通大學， 2016.

[5]王欣. 橋梁高墩地震作用響應效果分析[D]. 大連：大連交通大學， 2016.

[6]李竟?jié)? 鋼筋混凝土橋梁高墩的性能指標及基于性能的抗震設計研究[D]. 重慶：重慶大學， 2013.