高墩刚构桥梁抗震设计研究

■凌 云

（吴江经济技术开发区建设局，苏州 215200）

0 前言

随着我国山区交通和城市高架桥的发展，高墩桥梁得到了广泛的应用，特别是山区公路，桥梁需要跨越河谷和深沟，使得其桥墩高度通常达数十米，但目前对于桥梁高墩抗震的研究相对滞后，不能满足实际工程的需要[1]。目前高墩桥梁普遍采用延性设计，延性设计是通过选定结构的特定部位屈服形成塑性铰以降低刚度延长周期，并利用塑性铰的滞回特性耗散地震能量，但这些是以结构的损坏为代价，灾后对桥梁的修复相对困难[2]。因为高墩刚度较柔，桥梁结构的基本周期比较长，不宜采用减隔震设计[3]。虽然国内学者对高墩桥梁的减隔震适应性做了大量的研究[4～6]，但这些方法或措施距离实施到实际工程中还需要长时间的探讨。

为此，本文提出一种新型的减震方法，该方法不需要对原设计方案做大量的修改，当支座的剪力达到一定程度时，通过放宽对支座位移的约束限度，并提供允许支座有限滑动的限位装置，达到地震力与位移的平衡。并以某高墩刚构桥为背景，采用有限元软件SAP2000对该桥进行了地震响应分析，验证了该方法的有效性。

1 工程概况

本文以某座跨径布置为2×70m 的连续刚构桥为研究背景，其桥型布置如图1 所示。

该桥主梁为预应力变截面箱梁，采用单箱单室断面，桥梁宽度为12.25m；该桥的桥墩共有3 种桥墩型式：一种主墩和两种交界墩。主墩结构采用墩+承台+桩基础的结构形式，主墩墩身为7.05×7.0m 的矩形断面，墩高59.8m，桥墩分层中空，承台尺寸为12.8×9.1m，桩基础为端承桩，直径为2.2m，共6 根；交界墩结构采用墩+桩基础的双柱墩形式，墩身均为2.5×2.5m 的倒圆角矩形等截面，左交界墩P1 设有地系梁，墩高为13m，右交界墩P3 设有横系梁和地系梁，墩高为25.8m，桩基础均为端承桩。该桥支座布置形式为每个交界墩上设置两个盆式橡胶支座，按行进方向的左侧支座均为纵桥向可以滑动的单向支座，右侧支座均为双向可以滑动的活动支座。

图1 桥型布置图

2 有限元分析模型

为了更准确的分析该结构的抗震性能，动力分析模型采用三维空间有限元分析模型，如图2 所示。考虑到与相邻联桥梁动力特性的相互影响，选定左引桥（13m的预应力现浇梁桥）和右引桥（3×13m 的预应力现浇梁桥）作为边界联进行结构地震反应分析研究。按照《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）[7]规定，该桥属于非规则桥梁，本文E1 地震作用采用反应谱分析，E2 地震作用采用非线性时程分析。

该模型主梁、横梁和桥墩采用梁单元模拟，支座均采用三维支座单元进行模拟，反应谱分析时假定固定支座为铰接约束，滑动支座滑动方向为自由，非线性时程分析时滑动支座滑动方向采用非线性单元模拟，考虑支座的摩擦耗能作用。对于桩基础，利用“六弹簧”模拟，根据设计院提供的工程地质报告，采用“m”法计算各桩基础的土弹簧参数。

图2 结构动力分析计算模型

3 结构动力特性

根据建立的该桥动力计算模型，对该桥进行了结构动力特性分析，表1 列出了该模型前10 阶模态的相关信息。

表1 结构主要动力特性

4 地震反应分析

根据建立的结构动力特性分析模型，按照设计方案的边界约束条件，采用安评报告提供的反应谱参数进行E1 地震反应谱分析，计算分析在双向地震波作用下选定联桥梁的地震响应，振型组合采用CQC 方法。

根据该模型在E1 地震作用下的反应分析结果，验算该桥的地震安全性能，结构的抗震能力由UcFyer 软件进行计算分析，取构件最不利截面的等效屈服弯矩作为该桥构件的抗弯能力。

经验算该桥的桥墩和桩基均可以满足地震需求，但是支座在横桥向的剪力超出其抗剪能力，限于篇幅的限制，表2 仅给出了支座剪力验算结果，因为支座在纵桥向可自由滑动，因此均不必验算其抗剪性能。

表2 支座抗剪性能验算 （E1 横桥向输入）

鉴于支座的抗剪能力不能满足E1 地震响应的需求，本文提出将支座固定方向的受力在达到一定程度时，将该方向的约束放开，并设置具有合理滑动距离的限位措施，以此避免落梁灾害的发生。合理的滑动距离可以通过无约束时的支座在E2 地震作用下的位移来初步计算，并根据构件的验算结果来适当调整。

本文采用该桥的安评报告提供的反应谱参数生成七条E2 水准人工地震波进行非线性动力时程分析，取7条地震波反应结果的平均值作为该水准的地震反应结果[7]。根据该桥在E2 地震作用下的支座位移，如表3 所示，并经过多次验算，确定P1 墩的两个支座滑动距离均为18cm，P3 墩的两个支座的滑动空间均为28cm。

表3 支座变形验算 （E2 地震作用）

按照上述抗震措施，对结构在E2 非线性时程作用下结构地震响应进行了验算，具体结果见表4～7。

表4 桩基础验算 （E2 纵桥向输入）

表5 桩基础验算 （E2 横桥向输入）

表6 桥墩墩底承载力验算 （E2 纵桥向输入）

表7 桥墩墩底承载力验算 （E2 横桥向输入）

由上述表格可以看出，通过对支座约束方向的解放，支座的抗剪能力不足可以得到解决，结构在地震作用下的强度和变形能力也均可满足其地震响应需求，可以在不进行延性抗震设计的情况下达到良好的抗震效果。

5 结论

通过对某高墩刚构桥的地震响应分析和结构强度及变形验算，发现该桥支座在固定方向的抗剪能力不能满足要求，本文提出把该约束释放，并添加适当限位措施的抗震方案，经验算，该桥在不需要大量更改设计方案的基础上即可达到抗震需求，支座在灾后可以方便地的更换，即灾后修复工作非常方便。当然，该方法尚需更多桥梁的验证，不过该方法对高墩桥梁的抗震措施提供了一条可行的路径。

[1]宗周红，夏坚，徐绰然.桥梁高墩抗震研究现状及展望[J].东南大学学报(自然科学版)，2013，43（02）：445-452.

[2]叶爱军，管仲国.桥梁抗震[M].北京：人民交通出版社，2011.

[3]范立础，王志强.我国桥梁隔振技术的应用[J].振动工程学报，1999，12（02）：173-181.

[4]徐秀丽，于兰珍，王曙光，等.高墩连续梁桥减震设计研究[J].工程抗震与加固改造，2006，27(5)：63-67.

[5]周志浩，陈实.梁桥高墩的减震设计方法[J].云南交通科技，2001，17(4)：32-36.

[6]李晓琴.采用中层减隔震体系高墩桥梁纵桥向抗震性能分析[J].结构工程师，2014，02：79-83.

[7]JTG/T B02-01—2008,中华人民共和国行业推荐性标准：公路桥梁抗震设计细则[S].