8度区小箱梁结构高架桥纵向地震反应分析

王明晔

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市200030）

8度区小箱梁结构高架桥纵向地震反应分析

王明晔

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海市200030）

以某8度区城市快速路高架桥为依托，选取一标准联装配式简支变连续小箱梁结构为研究对象，分别采用常规结构体系（板式橡胶支座）和减隔震结构体系（铅芯隔震橡胶支座）进行结构抗震设计，比较不同支座设计体系下结构的具体抗震性能，结果表明减隔震体系具有更优的抗震性能。

小箱梁；板式橡胶支座；铅芯隔震橡胶支座；减隔震

0　引言

随着我国经济的快速发展，城市化进程的不断加快，交通量不断增加，与之相适应的交通网络的建设需求不断加大，各大城市相继修建高架桥和快速路。预制装配式小箱梁结构合理、施工方便、工程造价较低，具有显著的经济效益。其作为装配式结构，易实现机械化、工厂化、标准化施工，并以其较传统T梁和空心板具有优良的断面形式和受力性能，在跨越20～40m的城市高架桥和公路桥梁中越来越多地被采用。小箱梁桥下视觉简洁，梁高较矮，在梁高受限、景观要求较高之处，也具有一定的优势。传统小箱梁结构均采用板式橡胶支座，其具有构造简单、安装方便、节省钢材、价格低廉、养护简便、易于更换等特点。但是在高设防烈度地区，支座的抗剪切和抗滑移能力很难满足现行规范设计要求。为保证传力路径不中断、提升结构的抗震防灾能力，避免支座设计成为整个结构设计的薄弱环节，需考虑采用可替换的支座设计体系。

目前小箱梁设计中较少采用减隔震支座，本文选取某8度区城市快速路中一座典型的双柱墩高架桥为研究对象，分别采用常规结构体系（板式橡胶支座）和减隔震结构体系（铅芯隔震橡胶支座）进行结构抗震设计，比较不同支座设计体系下结构的具体抗震性能表现，以其对小箱梁结构的抗震设计能有所参考。

1　工程概况与结构建模

以某8度区城市快速路高架桥为依托，选取一联装配式简支变连续小箱梁结构为研究对象，按照《城市桥梁抗震设计规范》的相关要求，采用单自由度反应谱分析方法进行抗震设计分析。

本高架桥中标准联为4×30m四跨连续小箱梁桥，单幅桥宽13.0m，单向三车道，横向布置四片梁；下部结构采用双柱墩加盖梁式桥墩，墩高约为8m（含盖梁高度），群桩承台基础，每幅桥墩下布置4根直径1.2m的钻孔灌注桩，桩基配筋率为1%，结构标准立面见图1。为摒除相邻边界的影响，将研究对象设为除过渡墩外的余下中墩。根据连续梁桥的结构特点，将结构简化为单自由度体系进行计算，墩底桩基采用等效弹簧模拟基础六个方向上的刚度，板式橡胶支座水平刚度根据支座橡胶层厚度进行计算，减隔震支座采用等效水平刚度和等效阻尼比。

图1　结构标准立面图（单位：mm）

根据国家标准《中国地震动参数区划图》、《建筑抗震设计规范》附录A.0.4，场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第一组。桥梁抗震设防类别为乙类，场地类别为II类，根据《城市桥梁抗震设计规范》，采用两级抗震设防，得E1和E2地震作用下水平设计地震动反应谱见图2。

图2　设计反应谱

2　常规结构体系设计

常规结构体系中，先简支后连续的小箱梁的支座采用普通板式橡胶支座。板式橡胶支座是桥梁结构中普遍采用的支座形式，板式橡胶支座的刚度根据橡胶层厚度计算得到。

表1所示为中墩墩底截面在两级设防地震作用下的地震响应以及能力验算状况，不考虑竖向地震作用，可以看出墩柱在E1地震作用下处于弹性状态，墩柱在E2地震作用下已经进入塑性。若要墩柱能满足弹性要求，要将墩柱的主筋由直径25提高到直径28，配筋率增加约25%。

表1　墩底地震响应及验算

表2为最不利单桩受力与截面验算结果，可以看出中墩桩基础在E1地震作用下处于弹性状态，在E2地震作用下，虽然桩基础出现拉力，但仍处于弹性状态，仍能满足能力保护构件的弹性需求。

表2　最不利单桩验算

在地震作用下，为保证传力路径连续，支座不应发生剪切破坏和滑动，所以尚应检算支座的厚度和抗滑稳定性。

支座厚度验算：

式中：∑t——橡胶层的总厚度；

tgy——橡胶片剪切角正切值，取tgy=1.0；

XB——支座水平地震设计力产生的作用效应组合后的支座水平位移。

支座抗滑稳定性检算：

式中：μd——支座的动摩阻系数；

Rb——上部结构重力在支座上产生的反力；

Ehzh——作用效应组合后的支座的水平力设计值。

表3为支座厚度验算，表4为支座抗滑移稳定性验算，可以看出，在E1地震作用下，板式橡胶支座厚度可以满足规范要求，支座抗滑移验算不能满足要求，在E2地震作用下，二者均不能满足规范要求。

表3　支座厚度验算

表4　支座抗滑移稳定性验算

桥梁支座的传力路径不可丧失，否则主梁位移难以得到有效的控制，极易发生落梁震害；根据《城市桥梁抗震设计规范》需要通过计算设置连接梁体和墩柱间的剪力键，由剪力键承受支座所受地震水平力或进行桥梁减隔震设计。

3　减隔震结构体系设计

减隔震设计是通过特定的减隔震装置来提供地震作用下的柔性支撑和阻尼耗能机制，地震引起的变形和地震能量的耗散均主要发生在减隔震装置上，从而避免主体结构发生严重损伤。从目前已建成的减隔震桥梁来看，减隔震装置大多数设置在桥墩顶部，这主要是由于普通桥梁也使用支座，采用桥墩顶部隔震，只需用隔震支座代替普通支座即可，因而比较经济可行。常用的支座类减隔震装置包括橡胶类支座和摩擦摆式支座，考虑到本工程小箱梁结构较轻、尺寸较小、地震位移较小的特点，难以采用摩擦摆式减隔震支座，所以选用铅芯隔震橡胶支座。

普通板式橡胶支座等效阻尼比在5%以下，铅芯隔震橡胶支座等效阻尼比一般可在15%以上。铅芯隔震橡胶支座在较低水平力作用下，具有较高的初始刚度，变形很小；在地震作用下，铅芯屈服，刚度降低，延长了结构周期，并消耗地震能量，大幅减小桥梁上部结构加速度，使桥梁受力情况大为改善。因而具有很好的隔震效果，使结构物在地震时的受力状况明显改善。

铅芯支座主要性能参数见表5。

表5　铅芯隔震橡胶支座性能参数

（等效刚度和等效阻尼比为对应175%剪应变下数值。）

我国《城市桥梁抗震设计规范》要求对减隔震桥梁进行E2地震作用下的分析和验算，对于桥梁墩台和基础的验算，要求将减隔震装置传递的水平地震力除以1.5的折减系数后，按现行行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》和《公路桥涵地基与基础设计规范》进行验算，这主要是考虑这些结构构件的实际强度存在一定的超强性。

根据选取的减隔震支座参数进行结构的减隔震体系地震响应分析，计算结果见表6～表8（仅给出E2地震作用下的结果）。

表6　墩底地震响应及验算

表7　最不利单桩验算

表8　支座剪应变验算

可见桥墩和桩基础在E2地震作用下，均能保持弹性，满足规范要求。根据《城市桥梁抗震设计规范》，还要求橡胶型减隔震支座在E2地震作用下产生的剪切应变应在250%以下，并校核稳定性。表8为支座剪应变的验算，可见支座剪应变基本能满足要求。

4　结论

本文针对某8度区城市快速路高架桥，选取标准联为研究对象，根据《城市桥梁抗震设计规范》，分别按照常规结构体系和减隔震结构体系进行了抗震分析，比较了两种体系所对应的结构抗震性能。结果表明：

（1）采用减隔震设计体系后，下部结构的受力得到改善，且支座可以满足规范的相关要求。

（2）铅芯隔震橡胶支座是适合于小箱梁结构的减隔震支座。摩擦摆支座在小吨位支座上不具有经济性，铅芯橡胶支座应用范围广，实践证明是较稳定的减隔震支座。铅芯隔震橡胶支座在严寒地区应用时，应采用耐寒型橡胶。除了铅芯隔震橡胶支座外，高阻尼支座作为一种新产品，也有应用，但笔者认为高阻尼支座的温度和耐久性问题不容忽略，在没有更多实例依据的情况下，在严寒地区，应该慎重采用。

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U448.28

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1009-7716（2015）01-0045-03

2014-06-10

王明晔（1982-），女，黑龙江大庆人，工程师，从事桥梁设计工作。