高烈度区城市高架桥钢桥墩抗震构造措施研究

2017-03-28曲慧

城市道桥与防洪 2017年2期

关键词：角部屈曲桥墩

曲慧

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

高烈度区城市高架桥钢桥墩抗震构造措施研究

曲慧

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

随着我国大中城市对基本设施建设的大力发展，越来越多的钢结构桥梁被更为广泛应用。但我国公路和城市桥梁抗震设计规范中对钢桥墩应采用的抗震构造细节设计并未规定。为了使钢桥墩在高烈度区更为安全的应用，总结过去钢桥墩发生的震害现象并分析破坏机理。对世界上主流的抗震规范中关于钢桥墩抗震构造措施的规定进行比较，得出日本抗震规范较为全面的包含了钢桥墩应采用的抗震构造措施规定。以其为依据，举例说明其在国内一在建城市高架桥梁钢桥墩抗震设计上的具体应用细节，为今后同类桥梁抗震设计提供一定的借鉴作用。

门式框架钢桥墩；震害总结；中外规范比较；抗震构造措施

0 引言

近年来，我国大中型城市基本上都进入以地铁、轻轨等快速化交通为主的现代公共交通建设阶段，这使得城市建设用地显得更为紧张，在一个共同空间上如何合理的布置地铁、高架桥梁和地面道路，让稀缺的城市建设用地被充分合理科学的使用，正成为城市建设的一个关键课题。

本文的背景工程位于山西省太原市，项目以地铁建设为契机，对现状道路进行快速化改造升级，由于在平面上新建高架桥梁和地面道路中心线与地铁车站段和盾构段中心线重合，导致高架桥梁与地铁工程结构物空间上密集重叠，使两种工程结构物的建设条件均受到很大约束，使结构受力均处于复杂的环境中，对结构设计、施工、建设、管理均提出更高的要求。同时项目所在地区为抗震设防烈度8区，属于高烈度地区，在高架桥梁建设的空间同一断面中，地面以下还有地铁工程结构物，因此为了尽量减轻地上桥梁结构自重和桥梁基础的规模，加快桥梁建设速度，选择高架桥梁的上下部结构均为钢结构，以减少高架桥梁与地铁结构物之间的相互影响。

由于我国在高烈度区高架桥梁上使用钢桥墩的工程案例较少，国内规范对于采用钢桥墩的桥梁抗震设计方法只有指导性的意见，并未涵盖钢桥墩应采用的具体抗震构造细节设计方法。而本工程采用的门式框架钢桥墩构造形式和受力较为复杂，在地震作用下不仅要通过控制应力来保证结构具有足够的强度，还要通过合理的抗震构造措施来提高结构在往复地震作用下的抗震性能，保证结构在强震作用下的安全性。因此本文首先对现有钢桥墩的震害进行总结，其次对各国规范中钢桥墩抗震构造措施进行比较和总结，最后阐述本工程项目中钢桥墩抗震构造措施的应用情况，为同类桥梁的抗震设计提供一定的借鉴作用。

1 震害总结和损伤机理分析[1,2]

钢桥墩在美国、日本、欧洲等国家的高速公路桥和城市高架桥中应用较为广泛，其中经历过强烈地震并发生过震害的工程主要集中于日本。日本是地震多发国家，1995年日本遭遇震级7.2级阪神大地震（内陆直下型地震），震源深度约为14km，造成了大量高速公路桥和城市高架桥毁坏，其中钢桥墩在地震中破坏严重。此次地震中钢桥墩的震害形式主要有钢桥墩墩底部位屈曲，矩形截面桥墩墩底角部及人孔焊接部位开裂，螺栓连接部位的螺栓受损，涂层脱落，墩柱倒塌以及墩柱柱脚锚固部位的损伤等。

1.1 钢板的局部屈曲

城市高架桥常用经济桥型为连续梁桥，对于独柱钢桥墩，墩底部位为承受地震弯矩最大位置，地震作用时最易发生损伤。在阪神大地震中，图1为没有设置纵向加劲肋的2.2m圆形截面独柱桥墩在截面圆周方向范围内发生屈曲损伤的震害照片。

图1 圆形截面钢桥墩圆周方向的钢板屈曲

1.2 纵向加劲肋的局部屈曲

钢桥墩柱脚部位是钢柱与混凝土基础之间的重要连接节点，是实现钢结构与混凝土结构间力的顺利传递的关键部位。在钢桥墩柱脚部位从钢结构防腐和钢墩防撞的角度考虑，均会在钢桥墩根部距离地面一定高度开始在钢桥墩外部设置包角混凝土，并在钢桥墩内部填充混凝土。这使得钢桥墩墩底混凝土截面与交接面以上空心钢结构截面刚度相差较大，成为地震易损部位。在阪神大地震中，图2为矩形截面钢桥墩墩底钢结构与混凝土结构交接面上，空心钢结构截面的纵向加劲肋之间发生局部屈曲的震害照片。

图2 矩形截面钢桥墩钢板屈曲

1.3 局部屈曲变形引起的断裂

对于矩形截面钢桥墩，因加劲板局部屈曲变形扩大导致矩形截面内腹板和顶底板转角处焊缝沿竖向断裂，其破坏模式见图3。对于圆形截面钢桥墩，加劲板局部屈曲导致的变形集中在最初出现局部屈曲的位置，沿圆周方向累计和发展，最终圆形截面桥墩变形后倾斜或截面产生裂缝甚至断裂。其破坏模式见图4，图5为阪神地震中圆形截面钢桥墩由于局部屈曲累计导致的断裂震害照片。这种损伤模式会使桥墩失去对竖向荷载的传递能力，导致上部结构倾斜或者倒塌。

图3 矩形断面桥墩角部破裂

图4 圆形断面桥墩倾斜、破裂

图5 圆形截面钢桥墩局部屈曲部位开裂

1.4 应力集中部位低周疲劳产生的裂缝

对于门式框架桥墩，与独柱墩相比除了墩底为弯矩最大处外，框架的梁柱节点部位也是弯矩、剪力耦合受力较大部位，在地震往复荷载作用下，极易在梁柱节点应力集中处出现低周疲劳产生裂缝或断裂。图6为框架钢桥墩梁柱角部节点处产生裂缝的脆性破坏震害照片。

图6 框架钢桥墩梁柱角部脆性破坏

2 各国规范比较

目前世界上主要的5个桥梁抗震设计规范分别为美国抗震规范AASHTO、美国加州抗震规范Caltrans、欧洲抗震规范Eurocode8、日本抗震规范道路桥示方书V耐震篇和我国的城市桥梁抗震设计规范。

2.1 美国抗震规范

美国抗震规范《AASHTOGuildeSpecifications forLRFDSeismicBridgeDesign》（2009年）适用于跨径不超过150m的普通标准梁桥，规范中没有关于钢桥墩的抗震构造措施规定。

2.2 美国加州抗震规范

美国加州抗震规范《CaltransSeismicDesign Criteria(Version1.6)》（2010年）适用于跨径不超过90m的普通标准钢筋混凝土桥梁，规范内容不覆盖钢结构桥梁。

2.3 欧洲桥梁抗震规范

欧洲抗震规范《Eurocode8-Designofstructure forearthquakeresistance-Part2：Bridges》（2009年）适用于梁桥，在第6章抗震构造细节设计中，仅对钢筋混凝土墩柱构造进行了规定，对钢结构桥墩的抗震构造措施并未进行规定。

2.4 日本抗震规范[3,4]

日本《道路桥示方书V耐震篇》（2002年）适用于跨径不超过200m的桥梁。规范中第11章第三节中规定了钢桥墩详细的构造措施来预防钢桥墩在强震作用下发生脆性破坏，确保其有足够的韧性。规范中规定的构造细节如下：

对于矩形断面桥墩，在腹板与顶底板形成的角部垫放角板作为角部增强构造，见图7（a）,或将角部设计为圆弧状，无需进行角部焊接，见图7（b）。角部的焊接部位作为全断面焊入群焊或者通过K坡口进行的部分焊入群焊（钝边约为2mm），且使用了可以保证板厚方向机械性能的z向钢材的构造。同时通过减小钢板的宽厚比可以增强钢板的刚性以增强韧性，提高矩形截面桥墩的抗震性能。

图7 矩形断面桥墩抗震构造措施

对于圆形桥墩断面，可在桥墩主体的周围增设套管构造，见图8（a），其目的是在圆形截面桥墩局部压屈变形超过一定程度后内层钢管与外层钢管接触，使压屈波形多段化，通过分散变形而防止变形集中而产生破裂。或通过设置足够的纵向加劲肋以增强钢管的刚度，防止灯笼式压屈破坏，见图8（b）。同时可通过限制钢管的径厚比，可以提高钢管的变形能力，防止变形集中引起钢管破裂。

图8 圆形断面桥墩抗震构造措施

为了防止空钢管桥墩墩底部位被车辆撞击，一般会在墩底部填充混凝土，矩形截面钢桥墩混凝土填充顶部位置应在墩内设置横隔板，以限制矩形截面变形，防止角部产生破裂。

2.5 中国城市桥梁抗震规范

我国《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ166-2011）,虽然适用于所有的城市梁式桥，但在第八章抗震构造细节设计中，仅对钢筋混凝土墩柱构造细节设计进行了规定，对钢结构桥墩的抗震构造措施并未进行规定。

从上面的比较可以看出，这5本规范均适用于城市高架桥梁中最常采用的桥型：梁桥，其中美国加州规范Caltrans仅适用于普通标准钢筋混凝土桥梁，其余4本规范对钢桥和钢筋混凝土桥梁均适用。但这4本规范中，仅有日本抗震规范对钢桥墩抗震构造措施进行了较为细致的规定，其余规范仅对钢桥墩的抗震设计方法进行了规定，对抗震构造措施方面没有相关规定。因此本文背景项目中钢桥墩的抗震构造措施参考日本抗震规范进行设计，以保证桥墩在强震作用下有足够的韧性，防止脆性破坏的发生。

3 工程概况和钢桥墩抗震构造细节设计

3.1 工程概况

本工程位于山西省太原市尖草坪区为“Y”形部分互通城市立交桥，由于主线桥梁全线与地铁2号线区间段和西涧河站站房段共线，主线全线桥梁跨径布置均受地铁结构物影响限制，因此主线全线桥梁上部结构均采用等高度钢结构连续箱梁，下部结构桥墩均采用矩形截面门式框架钢桥墩。高架桥梁与地铁车站共线段典型断面布置见图9。

图9 高架桥梁与地铁车站共线段典型横断面布置图（单位：m）

3.2钢桥墩抗震构造细节设计

本工程所处场址地震基本烈度为8度区（0.20g），主线和匝道桥梁上部结构均为连续钢箱梁，主线和匝道桥梁共用下部结构采用桥墩形式为门式框架矩形截面钢桥墩。选取主线与两侧匝道平行且与地下地铁车站构筑物共线段中一联等高度三跨连续钢箱梁桥为例，对钢桥墩的抗震构造细节设计进行详细论述。例桥跨径布置为43.5m+56m+ 36m，联长135.5m，主梁梁高2.3m，主线宽23.5m，匝道宽8.5m，联内主线与匝道均共用门式框架墩，平均墩高为21.6m，框架墩立柱截面尺寸为3.0m×2.0m（纵桥向×横桥向），横桥向立柱壁厚为48mm，纵桥向立柱壁厚为40mm，立柱断面见图10，框架墩横梁截面尺寸为3.0m×2.5m（纵桥向×横桥向），梁端位置横梁腹板和顶底板壁厚均为40mm，跨中位置横梁腹板壁厚为20mm，顶底板壁厚为40mm。

图10 例桥框架墩立柱断面图（单位：mm）

依据日本抗震规范，对于矩形钢桥墩应采用角部增强构造。本例所采用的矩形钢立柱断面中横桥向角部增强部位的占有宽度2c为2×0.3=0.6m，截面横桥向宽度b为2.0m，2c/b=0.30＞0.25，纵桥向2c/b=0.25，角部增强构造在各边占有宽度对全宽的比例均大于25%；其次角部增强加劲肋的宽厚比为角部增强肋的板宽（mm），tc为角部增强肋的板厚（mm），σy为钢材的标准屈服点（N/mm2），E为钢材的弹性模量，v为钢材的泊松比。通过这样的构造设计可以保障角部作为闭口断面构造，即使变形过大也可以保持角部的角度，防止角部焊接部位破裂，墩柱丧失竖向承载能力。同时对于门式框架钢桥墩，为了防止立柱与横梁交接位置应力集中，应采用梁柱节点角部腹板倒圆角过度，以有效缓解应力集中，提高节点位置的抗震性能，缓解应力集中的构造细节见图11。