边坡处柔性桥墩抗震简化设计方法研究

蔡 煜吕 哲

（1.中国路桥工程有限责任公司，中国 北京100011；2.上海市政交通设计研究院有限公司，中国 上海200030）

0 引言

桥梁结构的地震破坏除了造成结构本身的直接损失，当桥位设置在主干道上，还会阻碍救援和物资人员的运送。我国是地震多发国家，2008年发生的汶川地震造成了大量的伤亡，破坏原因大多是设防烈度低于实际烈度[1~4]，但地震的复杂性导致计算的精确很难控制[5]，首先需要对在建场地中的结构体系进行明确的概念分析，然后结合结构的设计进行薄弱抗震部位的验算，最终保证通过配筋和构造验算保证结构的抗震性能。对于结构简单的规则桥梁，采用有效简便的理论进行分析可以为初步设计提供依据。

1 规则桥梁的简化抗震设计理论

目前规范中主要推荐的分析方法为反应谱法、时程分析法和功率谱法，其中反应谱法是根据结构的弹性反应结果建立的一种简化计算方法，对于规则桥梁有很好的适用性，而且在计算中应考虑上部结构、支座、桥墩以及基础等影响[6]。

全联均采用板式橡胶支座的连续梁桥或桥面连续、顺桥向具有足够强度的抗震连接措施（即顺桥向连接措施强度大于支座抗剪极限强度）的简支梁，其水平地震力可按下述简化方法计算：

1）上部结构对板式相交支座顶面处产生的水平地震力

Eihs——上部结构对第i号墩板式橡胶支座顶面处产生的水平地震力（kN）；

ns——第i号墩顶板式橡胶支座数量；

Gd——板式橡胶支座的剪切模量，一般取值1200kN/m2；

Ar——板式橡胶支座面积（m2）；

Σt——板式橡胶支座橡胶总厚度（m）；

n——相应于一联上部结构的桥墩个数；

kip——第i号桥墩墩顶抗推刚度；

Gsp——一联上部结构的总重量（kN）；

Sh1——相应水平方向加速度反应谱值。

2）墩身水平地震力

柱式墩由墩身自重在板式橡胶支座顶面产生的水平地震力

Gtp——桥墩对板式橡胶支座顶面处的换算质点重力（kN）。

Gcp——盖梁的重量；

Gp——桥墩的重量；

η——墩身重力换算系数：

Xf——考虑地基变形时，顺桥向作用于支座顶面或横桥向作用于上部结构质量重心上的单位水平力在一般冲刷线或基础顶面引起的水平位移与支座顶面或上部结构质量重心处的水平位移之比。

将上部结构的地震力Eihs和墩身的水平地震力Eihp施加到桥墩上，即可得到墩底位置处的内力。以上是简化算法的计算过程，下面通过一个实际工程算例进行应用。

2 计算算例

某高速公路工程结构为简支组合梁桥，单孔标准跨径为20m，桥宽19.5m，三跨一联，采用桥面连续的铺装。该工程跨越地形为宽523.5m的沟谷地形，靠近边坡的位置桥墩高度变化明显，导致桥墩纵向抗推刚度变化较大，下部结构的抗震性能需要进行分析，如下图所示。本工程中采用橡胶支座型号为GJZ400×400×69，橡胶层厚度为49mm，计算得剪切刚度为3918kN/m。

图1 简支组合梁桥立面布置图

一联跨总共有四个桥墩，从左到右依次编号为1、2、3和4号墩。上部结构分配到桥墩顶部的重量为681.7t，盖梁的重量为135.4t。桥墩的截面为1.7×1.7m，墩身高度依次为18.9m、16.6m、10.1m和6.1m。支座剪切刚度为3918.4kN/m。为了得到更精确的自振频率，采用有限元模型计算得到该结构的基频为0.79。根据公路桥梁抗震设计细则中5.2.1和5.2.2条的规定[6]，得到水平方向的加速度反应谱值为0.086。将这些参数代入上面的计算过程中可以得到墩底的弯矩值如下表所示：

表1 E1地震力作用下墩底矩值

3 结论

本文针对某桥梁工程中边坡处墩高变化相对较大的一联跨径，基于弹性理论进行了反应谱法的抗震分析，通过采用简化的计算方法，可不需要建立有限元模型，通过手算得到墩底的弯矩值。通过与有限元计算结果对比可以得到如下结论：

（1）有限元计算结果较简化计算方法偏大，这可能是由于支座采用弹簧单元模拟并没有完全反应支座的水平抗剪性能，该简化计算方法相比有限元计算结果偏于不安全，但仍可以作为校核计算方法采用。

（2）支座的抗剪刚度kr起到了降低桥墩组合抗推刚度ktp间差距的作用，使水平力分配大小不至于悬殊。工程上的意义是需要对橡胶支座定期检查更换，确保橡胶支座的水平抗剪变形作用，否则矮墩的组合抗推刚度会增大，分配到矮墩的地震力会相应增大。

（3）本算例中最不利桥墩为最高的桥墩。

［1］王克海.桥梁抗震研究[M].北京:中国铁道出版社,2007.

［2］邓小伟.基于两水平设防的连续梁抗震性能分析[J].石家庄铁道大学学报,2012,25(4):39-42.

［3］张永亮,徐家林.京沪高速铁路沧德特大桥地震反应分析[J].世界桥梁,2013,41(6):43-47.

［4］贡金鑫,王雪婷.从汶川地震灾害看现行国内外桥梁抗震设计方法[J].大连理工学报,2009,49(5):739-747.

［5］叶爱君.大跨度桥梁抗震设计实用方法[J].土木工程学报,2001.2,34(1):1-5.

［6］公路桥梁抗震设计细则(B0001-JTG∕TB02-01-2008)[S].北京:人民交通出版社,2008.