延性抗震体系下桥梁支座水平承载能力分析

□文 /袁有为

自2008年汶川地震以来，桥梁抗震问题受到越来越多的关注，国内桥梁抗震研究也越来越深入，一系列新的桥梁抗震设计新规范相继颁布，支座作为桥梁中重要的传力构件，其承载能力直接关系到桥梁延性抗震体系是否成立。

1 桥梁抗震体系的发展

在桥梁的抗震体系方面，美国AASHTO规范和中国的桥梁抗震规范均规定了混凝土结构桥梁的两种抗震体系：延性体系和减隔震体系。延性体系桥梁的抗震原理：在多遇地震下结构应保持弹性，在罕遇地震下结构可进入延性状态。在罕遇地震作用下，使桥墩顶部或底部作为“保险丝单元”而率先达到弹性强度限制并通过其塑性变形和耗能以延长结构周期且耗散地震能量[1]。减隔震体系的原理：在上下部结构之间引入减隔震装置，通过其塑性变形来耗散地震能量并延长结构周期，达到降低结构地震响应的目的。

自从1971年美国圣福尔南多地震发生后，延性设计理念得到了国际上的普遍重视和认可，延性体系相对来说简单可靠，技术成熟，目前绝大多数常规桥梁均采用延性体系进行抗震设计；而减隔震体系目前主要用于高烈度地区的大跨径桥梁。

能力保护理论是延性抗震体系非常重要的设计方法和思想，于20世纪70年代由新西兰学者首次提出。能力保护理论的主要原理：为防止脆性破坏模式的发生，须保证大震下的损坏部位发生在预设的延性构件上，因而支座、基础等非延性构件应作为“能力保护单元”而具有比“保险丝单元”更强的承载力[2]。简而言之，就是通过设计使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，进而确保结构不发生脆性破坏。

2 规范对延性抗震体系的规定

从20世纪中叶起，延性抗震理论就逐渐被一些国家的抗震规范所采用。20世纪70年代以后，新西兰、美国、欧洲、日本以及我国台湾地区的桥梁抗震规范中先后针对延性体系设计理论采用了能力保护方法。我国在2008年以后颁布的几部桥梁抗震规范也引入了能力保护方法。

2008年以前，我国的桥梁抗震规范尚不成熟，一些国际上的前沿理论和技术并没有系统地体现在中国抗震规范中，这一时期的桥梁抗震规范可以认为是第一代规范，如JTJ 004—89《公路工程抗震设计规范》和GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》等，这些规范均未对延性体系的设计做出充分详细的规定，也未引入能力保护的原则。

2008年汶川地震发生后，我国在桥梁抗震领域的研究不断深入，陆续颁布了几部桥梁抗震规范，如JTG/TB 02-01—2008《公路桥梁抗震设计细则》、CJJ 166—2011《城市桥梁抗震设计规范》、JTGB 02—2013《公路工程抗震规范》、GB 50909—2014《城市轨道交通结构抗震设计规范》等，这几部规范更好地与国际先进理论和成熟规范接轨，可以认为是第二代抗震规范。其中，GB 50909—2014采用了更加开放的基于性能的设计理念，但并未对抗震计算细节做出明确规定。除此之外，第二代规范均系统规定了延性抗震设计思想和设计方法，也引入了能力保护方法以保证结构的延性。

3 新老规范对支座水平力的不同要求

3.1 第一代抗震规范的支座水平力需求

式中：FhE为固定端的水平地震力；Ag为地震动峰值加速度；md为简支梁一孔梁和桥面的质量；μ为活动支座的摩擦系数；Ra为活动支座的反力。

3.2 第二代抗震规范的支座水平力需求

GB50909—2014采用了更加开放的基于性能的设计理念，并未对抗震计算细节做出明确规定。但JTG/TB 02-01—2008、CJJ166—2011 及 JTGB02—2013 均引入了延性抗震设计思想和能力保护原则，充分考虑了能力保护构件和塑性铰区域的承载能力关系，保证塑性铰区能够率先达到弹性强度限值并保证在任何地震水平下支座、基础等非延性部位均不发生破坏。其中支座水平地震力的计算

式中：V为一个支座所承受的地震水平力；φ0为截面受弯承载力超强系数，一般取1.2；Μu为桥墩塑性铰截面的极限弯矩；n为一个墩位承担地震水平力的支座个数，H为悬臂墩的墩高。

由式（2）可以看出，支座水平力主要取决于桥墩塑性铰区的极限弯矩和墩高，而桥墩塑性铰的极限弯矩取决于桥墩的截面尺寸和配筋，这也间接反映了地震加速度水平、上部结构质量、桥梁整体动力特性等因素。

3.3 两代抗震规范的支座水平力需求对比

用两代抗震规范、两种抗震计算思想分别对8度区IV类场地条件下轨道交通30 m跨简支现浇梁桥和3×30 m跨连续现浇梁桥进行支座水平力需求对比计算。

第一代规范以GB 50111—2006为例，第二代规范以CJJ 166—2011为例，计算结果见图1和图2。

图1 30 m简支梁支座水平力对比

图2 3×30 m连续梁支座水平力对比

根据GB 50111—2006的支座地震水平力计算公式，30 m简支梁桥固定支座水平力与竖向承载力的比值为30%，3×30 m连续梁桥的比值为23%，与墩高并无关系。而根据CJJ 166—2011的计算公式，30 m简支梁桥固定支座的水平力比值在64%～80%之间，3×30 m连续梁桥的比值在46%～61%之间。

4 结论

1）根据第二代规范（基于能力保护思想）计算的支座水平力需求远大于第一代规范（基于传统等强度思想）计算的支座水平力需求，二者之间的比值约为2.0～2.7，因此新一代抗震规范对延性体系桥梁支座的水平承载力提出了更高要求。

2）我国早期的JTJ 004—89《公路工程抗震设计规范》和GB 50111—2006《铁路工程抗震设计规范》中对支座水平地震力的计算规定较为相似，均采用静力抗震分析法进行计算，未考虑桥梁整体自振特性和动力因素的影响，更未采用能力保护的原则来设置强度等级差，是一种等强度的设计方法。以GB50111-2006的计算公式为例可以看出，支座水平地震力是按设计地震（重现期475 a）进行计算，其大小主要取决于上部结构的质量，而与下部结构形式及尺寸、墩高等因素均无关。

3）延性抗震体系下，桥梁的支座水平承载力和墩柱塑性铰区的屈服弯矩密切相关[3]，在考虑现有的桥梁支座技术水平、工程经济性等指标，桥梁墩柱的配筋应进行充分的优化。