高烈度区高墩大跨桥梁抗震设计

胡丰玲

(中设设计集团，南京 210005)

近年来，高强度地震日益频繁，高墩桥梁受震害后修复困难，影响震后生命线的畅通，给地震灾区带来严重的次生灾害。目前，国内外缺乏高墩桥梁震后经验，对其在地震作用下的反应行为和抗震性能认识不足，大多数桥梁工程抗震设计规范仅限于常规桥梁抗震分析，而对高墩桥梁的抗震设计未做具体规定。

高墩桥梁多采用刚构方案，对于一般设计烈度区，刚构方案基本可满足抗震性能要求，但对于高烈度区尤其是地质条件较差需采用群桩基础的桥梁，常规设计方案很难满足其抗震性能要求。此时，合理的减隔震设计，可延长结构周期、增大阻尼，以降低地震动输入，减小结构地震响应。

本文以云南某快速路中一座高墩大跨桥为例，分析其在高烈度区的地震响应，提出合理的抗震设计及构造方案。

1 项目概况

主桥为(42+75+42)m的连续刚构桥，两侧引桥为30 m的装配式预应力T梁。主桥上部结构为挂篮悬浇变截面预应力梁，根部梁高4.5 m；跨中处梁高2 m；主墩(6#、7#)采用薄壁实体墩，墩高约30 m，墩身尺寸为10.25 m×2.5 m；群桩基础，单个承台下布置6根D180的桩基。

道路等级：城市快速路；汽车荷载：城-A级；地震要求：地震动峰值加速度为0.3 g，抗震设防烈度为8度，抗震构造措施按9度设防，设防分类为乙类；地震调整系数：桥梁E1作用下取0.61，E2作用下取1.7。

2 抗震计算

2.1 动力分析模型

因本项目桥墩较高、地震烈度大，故采用地震动时程分析法，建立主引桥的三维全桥模型，考虑桩土作用、支座非线性、材料非线性等，对其进行纵横向地震分析，全桥三维简化模型如图1所示。

图1 全桥三维动力分析模型

2.1.1 地震动输入

根据地震安评报告，按照《城市桥梁抗震设计规范》§5.1及§5.3规定，对全桥横桥向和纵桥向(不考虑竖向地震)分别输入人工合成地震波，进行相应的地震分析，如图2～3所示。

图2 8度区0.3 g E1人工合成地震波

图3 8度区0.3 g E2人工合成地震波

2.1.2 支座模拟

为合理分析约束对全桥地震作用的影响，分析时分别比选了盆式支座、摩擦摆支座和高阻尼支座。盆式支座采用“一般连接”中“弹簧”，输入各方向刚度即可；高阻尼支座、摩擦摆支座的力学及恢复力模型如图4～5所示。

图4 高阻尼支座—等效双线性恢复力模型

图5 摩擦摆支座力学及恢复力模型

2.1.3 塑性铰布置及模拟

地震作用中，桥墩及基础是抗震设计的主要部位，而桩基作为隐蔽工程，不允许出现损伤。因此，在高烈度区，一般使墩身设计地震惯性力小于地震所产生的弹性惯性力，从而在墩身形成塑性铰耗能[1]。

本桥在墩底设置塑性铰，主墩为空心墩[2]。墩身外圈布置两层Φ28 mm的钢筋，分别为252根和248根；内圈布置206根Φ20 mm的钢筋；过渡墩为实心墩，墩柱配置35根Φ28 mm的钢筋。根据墩身尺寸及其配筋，定义弹塑性材料特性及M-φ曲线。

2.2 约束形式对地震响应的影响分析

方案一：主墩固结，过渡墩设盆式橡胶支座。

方案二：主墩、过渡墩均设摩擦摆支座。

方案三：主墩摩擦摆支座，过渡墩高阻尼橡胶支座。

考虑到E1作用下结构地震效应相对较小[3]，因此，本文仅罗列出E2作用下墩底内力，方案一、方案二和方案三主桥墩底内力分别如表1～3所示。

通过对上述各方案中桥墩、桩基进行抗震设计后发现：

(1) 该桥位于0.3 g的高设防烈度区内，桥梁结构地震反应较大，采用普通盆式支座，桩基难以按能力保护构件设计。

(2) 采用摩擦摆支座，墩身顺桥向弯矩降低为70%～75%，横桥向主墩降低为30%～40%；过渡墩增大为140%～190%，但从数值上看，主墩、边墩分配上更合理。

表1 方案一主桥墩底内力一览表

表2 方案二主桥墩底内力一览表

表3 方案三主桥墩底内力一览表

(续表)

(3) 采用高阻尼支座，主墩顺桥向弯矩降低为84%～90%，横桥向主墩降低为30%～40%；过渡墩增大为130%～150%，但从数值上看，主墩、边墩分配更合理。

3 抗震方案设计

3.1 结构动力特性

根据上述结论，本项目主桥主墩采用固结，过渡墩采用摩擦摆支座，引桥T梁采用高阻尼橡胶支座。

表4 全桥前4阶振型分析结果

3.2 桥墩变形验算

E2地震作用下，主桥主墩、过渡墩墩身最不利内力如表5所示，桥墩墩顶位置如表6所示。

表5 E2地震作用下桥墩内力

表6 E2地震桥墩墩顶位移 (cm)

3.3 桥墩塑性铰抗剪验算

根据《城市桥梁抗震设计规范》第7.4.2条，对塑性铰区域进行抗剪强度验算，结果如表7所示。

表7 E2地震桥墩墩身塑性铰抗剪验算 (kN)

3.4 桩基强度验算

E2地震作用下，主墩墩底进入塑性，桩基础作为能力保护构件设计，取最不利桩基验算，结果如表8所示。

表8 E2地震作用桩基验算

3.5 设置“保险丝式单元”

在本桥抗震设计中，支座因其易更换性，墩身塑性铰区域因其可修复性，被选定为“保险丝式单元”。在发生破坏性地震时，支座优先损坏，墩身允许可修复损伤，以确保隐蔽工程桩基作为能力保护构件不发生损伤。

3.6 “多道设防、分级耗能”的设防手段

第一道防线：支座→弹塑性变形→分担水平荷载，延缓并减小桥墩塑性区损失发生。

第二道防线：支座锚固失效→支座、限位构造发挥耗能作用。

第三道防线：支座变形较大(但传递路径不中断)→墩身、防落梁装置和纵向支撑长度共同作用→发挥耗能及限位→防止落梁和侧向倒塌[4]。

3.6.1 支座设计

主桥支座选用承载能力高、稳定性好、复位功能和抗平扭能力强的摩擦摆式减隔震支座；引桥支座采用水平变位能力强、阻尼效果好、结构复位能力强的高阻尼橡胶支座。

3.6.2 抗震挡块设计

支座与挡块的间隙大小视其在地震中主要作用而定。如挡块仅用来防止意料之外的地震大位移下的落梁，则其间隙越大越好；若挡块需承受支座破坏后的水平力，则挡块与梁体间的距离应适当取小值，挡块按剪力键设计。

本桥挡块作为第二级设防手段，在支座失效后除保证不落梁外，还承担一定耗能功能。因此，挡块厚度须保证其抗剪强度与墩身强度相匹配，按照“小震、中震不坏，大震必坏”的设计原则确定其尺寸和配筋。

4 结语

通过对本桥建立多种动力计算模型，分析其在罕遇地震下的地震反应，并对桥墩进行延性设计，对桩基进行弹性设计，得出如下结论：

(1) 高烈度区桥梁常规设计时地震响应较大，作为能力保护构件的基础一般难以保证在地震作用中不受损伤。

(2) 合理的减隔震措施可有效降低桥梁地震响应，如设置减隔震支座、挡块等，从而有效降低墩柱及基础构造配置。

(3) 应根据桥梁各构件后期检测、修复、更换的难易程度，提出多道防线、分级耗能、区别设计的设计理念，可有效提高结构的抗震性能，降低工程造价。

(4) 对于重要的、受力复杂的桥梁结构，可通过改善构件受力性能和增强其变形能力，增强整个桥梁结构抵抗强震和超预期地震破坏的能力。