钢筋混凝土桥梁横向抗震性能评估分析

付 裕，隆海健

（1.北京公联公路联络线有限公司，北京 100161；2.中交一公局第五工程有限公司，河北 廊坊 065201）

钢筋混凝土桥梁横向抗震性能评估分析

付 裕1，隆海健2

（1.北京公联公路联络线有限公司，北京 100161；2.中交一公局第五工程有限公司，河北 廊坊 065201）

为了研究钢筋混凝土桥梁的抗震性能，总结了桥梁的横向抗震性能极限状态，并对地震作用下的极限状态分类；提出了桥梁塑性倒塌极限分析方法，并研究了桥墩抗剪性能机理。最后通过工程实例，计算评估了实际桥梁在地震作用下的抗震性能。

桥梁工程；抗震性能；极限状态；塑性倒塌

0 引 言

钢筋混凝土桥梁在地震力的作用下，可能发生弯曲破坏、弯剪破坏以及剪切破坏。近年，学者通过大量的调查及统计，研究了桥墩的不同破坏形式，以及荷载与抗剪强度、抗弯强度和位移延性系数之间的关系。研究认为，钢筋混凝土桥墩在受到横向地震力作用时会发生弯曲，并屈服形成塑性铰；且在地震力的作用下，桥墩抗震强度也会随着延性系数的增大而快速减小，当减小至极限值时对应的强度为塑性铰区极限抗剪强度。国内外学者普遍认可“强剪弱弯”的设计原则已被设计人员广泛采用，在设计时用来计算钢筋混凝土桥墩的抗震强度，保证桥墩在地震横向力作用下发生延性弯曲破坏［1－4］。本文以某四跨空心板桥为实例，研究分析桥梁墩台在地震横向力作用下的抗震能力。

1 桥梁横向抗震性能极限状态

公路桥梁结构包括基础、桥墩及桥面附属设施，作为一个完整的受力结构体系在地震作用下整体受力，其破坏是从局部开始。当桥梁下部构造，如桥墩遭受破坏时会直接导致桥梁不具备承载能力，随即发生落梁、倒塌事故。

1.1 结构极限状态分类

对于桥梁结构而言，结构极限状态主要发生在桥梁下部结构构件中，如基础、桥墩。结构极限状态主要包括开裂极限状态、首次屈服极限状态和最终极限状态。

（1）开裂极限状态。处于此种极限状态下的桥墩在地震力作用下刚进入塑性状态，开裂极限状态无实际工程意义；在计算桥梁结构自振周期时应考虑桥梁结构即将进入弹性工作状态，由此引起开裂而导致的刚度下降。

（2）首次屈服极限状态。处于此种极限状态下，首先达到屈服的是最外层的受拉钢筋；同时，桥梁结构的刚度发生大幅度下降。若对构件的恢复特性进行简化分析，首次屈服极限状态认为是构件弹性与塑性的分界点。

（3）最终极限状态。处于此种极限状态下的桥梁结构一般会出现以下两种现象：一是墩台所受的横向力下降到极限横向力的85%；另一种是出现箍筋断裂，主筋弯曲，钢筋周边的核心混凝土大量碎落。

1.2 地震作用下极限状态分类

作为一个受力体系，桥梁结构在地震作用下的反应可分为以下三个极限状态，而这三个极限状态与构件的极限状态有内在联系并相互对应。

（1）正常使用极限状态。在弱震情况下，由于地震力作用较小，桥梁结构体系仍能正常工作，即使局部的构件产生微小损坏，但不需要修复，混凝土不发生剥落，桥梁无需加固或采取措施仍可继续运营。

（2）破坏可修复极限状态。在强震情况下，桥梁结构受到设计标准内的荷载作用，并进入塑性状态，桥梁结构产生适度的破坏，表层混凝土剥落，产生裂缝，需经过加固修复才能继续使用。注意不容许出现丧失承载能力和承载力下降太大的现象，如箍筋断裂、主筋屈曲等，即构件不能达到最终极限状态。

（3）结构最终极限状态。在超过设计的荷载作用下，即使桥梁发生结构性损坏，桥梁也应具有足够的承载能力以承受结构的重量，以避免发生桥梁倒塌而对生命财产造成危害和发生其他次生灾害。

虽然在某些情况下，即使个别构件达到最终极限状态，整个桥梁结构在局部修复后仍可以继续使用，但这要视桥型、体系受力状态等多种因素决定。因此，将局部最终极限状态与整体结构最终极限状态统一起来显然能使概念更加明确。这一点也是以下塑性倒塌分析的一个基本假定。

2 塑性倒塌分析方法

在进行塑性极限分析桥梁的结构时，采用的分析方法是在各个桥墩逐一进行，在每个连接到刚性桥梁上部结构的基础上，利用等效弹性反应的惯性力和加速度计算对应不同的极限状态，再与规范设计反应谱进行对比，对比实际的加速度反应谱来确定桥梁结构的安全和抗震能力［5］。

2.1 结构塑性倒塌分析假设

根据上述的荷载－变形曲线和桥墩抗推刚度，连接每一个桥墩与上部结构作为一个整体，简化得到初始刚度和抗推刚度相同的弹簧刚度，每个桥墩用以下3个假设使塑性倒塌分析。

（1）忽略桥面的柔性特征，视上部结构完全为刚性结构。

（2）不考虑桥墩的抗扭刚度。

（3）视混凝土结构为均匀结构，惯性力及质量均匀分布，惯性力作用于上部结构的质心。

由于各桥墩的极限位移不同，也不一定成比例，因此在对破坏极限状态进行评估时，要采用假设和试算法确定最不利桥墩，并作下述2方面检验：所假定的屈服或未屈服的桥墩是否正确；是否有其他桥墩已到达极限位移而成为控制墩，其最终极限状态对应着结构的最终极限状态。

2.2 桥墩的荷载－变形曲线

2.2.1 单柱或桥墩

水平地震荷载为作用于单柱墩的轴向力，塑性铰出现在墩底，只能由通过桥梁结构本身的重力和上部结构的重力来确定。根据压弯构件截面分析方法确定塑性铰区的弯矩－曲率关系后，即可对桥墩进行塑性倒塌分析，通过逐步加位移的过程确定桥墩的横向荷载－变形关系，并转化成理想线形模式。

应注意的是，为了对桥墩的实际性能进行准确的评估，材料特性由实测确定，而不采用名义值或设计值。

2.2.2 多柱式桥墩

多柱式柱桥墩与单柱式桥墩的区别在于由于上部盖梁的约束，地震作用会产生轴向力，因此桥墩的轴向力由重力和地震轴向力共同组成。由于地震轴向力是动态的，因此只有通过试验来确定，可采用以下方法确定。

（1）根据截面分析方法，确定仅在重力产生的轴向力作用下各塑性铰处的最大弯矩及最大转角。

（2）通过对桥墩逐步加位移进行非线性反应分析，确定临界截面达到最大转角时的横向地震力E。

（3）求出E作用下所产生的各墩柱的轴向力N1。运用截面分析方法，计算各塑性铰处在重力及地震产生的轴向力共同作用下的强度、弯矩－曲率关系及最大转角。通过逐步加位移计算多柱式桥墩的荷载－变形曲线，并转化成理想化的双线性模式，并确定屈服位移和极限位移及抗推刚度。

3 桥墩抗剪性能机理

在地震作用下，为了充分发挥桥墩的塑性耗能能力，必须保证桥墩的变形具有一定的延性，且不出现脆性剪切破坏，因此必须对桥墩进行抗剪性能分析［6－8］。提供桥墩抗剪能力主要来自3个方面。

（1）混凝土部分的抗剪能力。它主要来自混凝土骨料的咬合力及受压区混凝土的剪切传递。

（2）箍筋的抗力。

（3）轴向力提供的抗剪能力。由于桥墩变形产生一定的倾角，使得轴向力会产生一个有利于抗剪的分量。

抗剪强度分析应充分考虑上述几方面的影响，并同时包括桥墩截面形式的影响。

式中：Vn为桥墩抗剪能力（MPa）；Vc为混凝土抗剪强度（MPa）；Vs为箍筋抗剪强度（MPa）；Vp为轴向力抗剪强度（MPa）；Ag为塑性铰区截面积（m2）；fc为混凝土强度（MPa）；k为随混凝土主拉应变变化的混凝土剪应力系数。按图1取值进行以下抗震分析计算。

图1 混凝土剪应力系数

式中：Ah为单根箍筋截面积（m2）；fyh为箍筋屈服强度（MPa）；D，S为与钢筋布置有关的尺寸，D为圆形桥墩的直径，S为桥墩箍筋间距。D／Stanθ实际上是裂缝所跨越的箍筋层数。

式中：P为包括所有作用与塑性铰截面的轴向力，如重力、预应力等；α为桥墩顶面轴向力与桥墩底面轴向力作用位置的连线与桥墩中心线的夹角。

4 工程实例

4.1 工程概述

某桥梁为4×13m的四跨空心板结构，上部结构为高0.95m的空心板，桥面宽12.0m，桥墩直径为1.2m，下部构造为直径为1.4m的钻孔灌注桩，桥台为U台扩大基础，桥型布置图如图2所示。上部主梁结构总重10 040kN，每延米重112kN，桥墩混凝土总重214kN。地震作用在上部结构的重心处，每座桥墩承受的上部总重量为Ws为相邻两跨重量的一半与桥墩重量的1／3之和，桥墩底部塑性铰区临界截面处的轴向荷载包括整个桥墩的重量表Wf，结构数据详见表1。

图2 桥梁布置

表1 桥梁结构数据统计

4.2 抗震性能评估

为了便于分析，将桥墩的弯矩关系简化为双线性关系。该桥为桩基础，无系梁结构，塑性铰可能会发生在地面以下桩的直径为1.4m，为了简化计算，假设地面以下1.5倍桩径处被嵌固，塑性铰区截面及桥墩的位移延性计算结果见表2。

桥墩荷载－位移关系曲线见图3。由图可知，桥梁体系的变形能力由1＃、3＃桥墩控制，整个桥梁体系的延性系数为2.05。经计算，体系屈服所需的等效地震荷载为

体系达到屈服时所能承受的等效地震加速度为

表2 评估计算结果

结构周期T为

由于刚度的减小，体系的周期变长了，倒塌极限状态所对应的等效地震荷载为

所确定的等效地震加速度为

可见，由于体系刚度的减小，导致了体系抗震能力的下降。

5 结 语

通过对桥梁横向塑性倒塌机理和抗剪性能分析，并结合工程实际，对桥梁横向抗震性能进行评估，主要得出以下几点结论。

（1）该桥梁结构体系达到屈服时所承受的等效地震加速度均大于0.1g，达到7度抗震设防要求，设计是可行的；在8度地震作用下，各桥墩均发生屈服，但不倒塌。

（2）在进行体系延性变形能力分析时，应考虑桩基作用对体系影响。

（3）体系刚度的减小虽然增长了周期，但结构的抗震能力仍有下降。

［1］李晓琴.高架桥梁抗震设计及拉索减震支座的应用［J］.地震工程与工程震动，2014，34（2）：196－201.

［2］韩 鹏，王君杰，何 剑，等.高架桥梁抗震设计的弹塑性反应谱法［J］.哈尔滨工程大学学报，2013，34（4）：462－470.

［3］刘文华，黎立新.山区高墩桥梁抗震设计［J］.公路，2010（7）：67－71.

［4］秦禄山.钢筋混凝土曲线桥梁抗震分析与设计［D］.北京：北京工业大学，2012.

［5］王东升，司炳君，孙治国，等.地震作用下钢筋混凝土桥墩塑性铰区抗剪强度试验［J］.中国公路学报，2011，24（2）：34－41.

［6］司炳君，孙治国，王东升，等.高强箍筋约束高强混凝土柱抗震性能研究综述［J］.土木工程学报，2009，42（4）：1－9.

［7］李晓莉，孙治国，王东升.高地震烈度区含矮墩桥梁抗震设计［J］.公路交通科技，2012，29（4）：67－71.

［8］孙治国，司炳君，王东升，等.高强箍筋高强混凝土柱抗震性能研究［J］.工程力学，2010，27（5）：128－136.

Evaluation and Analysis of Lateral Seismic Performance of Reinforced Concrete Bridge

FU Yu1，LONG Hai－jian2
（1.Beijing Gonglian Road Tie Line Co.Ltd.，Beijing 100161，China；2.CCCC First Highway Fifth Engineering Co.Ltd.，Langfang 865201，Hebei，China）

In order to study the lateral seismic performance of reinforced concrete bridge，the ultimate conditions in the action of earthquakes were summarized and categorized.Limit analysis on plastic collapse of the bridge was put forward，and the mechanism of shear behavior of the piers was studied.The seismic performance of the bridge under earthquake action was evaluated based on a practical project.

bridge engineering；seismic performance；ultimate condition；plastic collapse

U442.55

B

1000－033X（2015）08－0082－04

2014－12－18

国家自然科学基金项目（51308077）

［责任编辑：杜卫华］