高地震烈度区30m连续T梁桥下部结构计算分析研究

刘 星

宁夏公路勘察设计院有限责任公司，宁夏银川 750001

跨径30m的装配式预应力混凝土连续T梁桥在我国公路建设中的应用十分广泛，在很多高速公路中都被大面积使用。T梁桥的下部结构，其墩台尺寸及配筋一般是根据具体情况经过详细计算分析后予以确定，各地区尤其是不同地震烈度区内的下部结构尺寸及配筋形式存在很大差别。本文以抗震设防烈度为8度 （0.2g）的某地区高速公路上典型3×30m连续T梁桥为例，通过比较详细的抗震计算分析，最终确定适合于该地区可广泛使用的墩柱、桩基截面尺寸及配筋形式，可为今后的工程实际提供一些参考。

1 模型建立

1.1 结构概况

假定桥梁是某地区高速公路上n×30m连续T梁桥其中3×30m的一联。桥宽为2×12.75，分为左右两幅。下部结构为盖梁下桩基接圆柱墩形式，墩高分别为9、9、12、12m，桩顶布置系梁。墩柱直径为1.4m，桩基直径为1.6m，盖梁尺寸 （宽×高） 为1.6m×2.0m，系梁尺寸 （宽×高） 为1.2m×1.4m，横断面布置如图1。

图1 桥梁横断面布置

上部结构T梁及下部结构分别采用C50和C30混凝土，中间两个连续墩处采用HDR （I） -520×570×237-G1.0高阻尼隔震型橡胶支座，首尾两个非连续墩处采用LNR （H） -420×420×149水平力分散型橡胶支座。

1.2 地震动参数

抗震设防烈度为8度，设计基本地震动加速度峰值为0.2g，特征周期为0.45s，场地类别为Ⅱ类，由《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008） （以下简称《抗震细则》） 可知抗震设防类别为B类，按高速公路上的大桥，抗震重要性系数E1地震作用下为0.5，E2地震作用下为1.7。由于不是某一座特定位置的实际桥梁，故计算采用多振型反应谱分析法，减隔震支座的刚度采用其等效刚度，不考虑其非线性特性，整个设计思路采用延性设计，即允许墩柱进入塑性状态，墩柱抗剪及桩基按能力保护构件进行设计。

1.3 建立有限元模型

采用MIDAS CIVIL有限元分析软件建立3×30m连续T梁全桥模型，上部结构6片T梁按梁格法模拟。对于桩基仅考虑刚度因素，忽略其惯性力的影响，即采用6×6的桩土相互作用弹簧刚度矩阵来模拟每根桩顶处的刚度，刚度计算采用“m”法[1]。

墩柱在地震作用下内力大小与自身刚度及其与相邻墩柱的相对刚度有关，高度较矮的墩由于相对刚度较大，其承担的地震力也相应较大，对于研究9m高度的连续墩来说，该联桥墩柱采用9、9、12、12m的高度时，该9m高度连续墩受力更为不利，故出于保守考虑，按此墩高设置，有限元模型如图2所示。

图2 有限元计算模型

2 E1地震作用下的计算

采用E1反应谱分析，所得9m高度的连续墩墩身在地震作用下的内力如表1所示。

表1 E1地震作用下墩柱内力

《抗震细则》规定在E1地震作用下，结构在弹性范围内工作，基本不损伤[2]。墩柱、桩基的计算结果如表2所示。

表2 E1地震作用下墩柱、桩基强度验算

墩柱竖向主筋配置为28根Φ28，配筋率1.12%，箍筋采用等级为HPB300、直径10mm的双螺旋箍筋并置形式，箍筋加密区间距为7.5cm；桩基采用 （14+14） 根Φ28 （桩身通长钢筋14根），桩基配筋率0.86%。对比上表可知墩柱、桩基均满足正截面抗压承载力的要求。

对于桩顶系梁，同样应满足弹性设计要求。系梁截面顶底主筋一般为Φ22，间距按15cm左右布置，即顶底都为9根主筋，则其正截面抗弯承载力为1445kN·m；而E1地震作用下横桥向系梁端部的负弯矩值达1739kN·m，故目前系梁钢筋配置不满抗弯承载力要求。如按主筋间距10cm布置，顶底都为12根主筋，则正截面抗弯承载力可提高至1927kN·m，满足要求。

3 E2地震作用下的计算

采用E2反应谱分析，可知桩顶系梁在横桥向地震作用下的梁端负弯矩达5911kN·m，而系梁截面顶底主筋采用Φ22，如按间距10cm布置，则按实配钢筋材料强度标准值计算所得的正截面抗弯承载力为2335kN·m，故E2地震作用下，系梁作为耗能构件必然最先发生损坏，故计算墩柱及桩基不应考虑系梁的作用。按无系梁模型计算后可得9m高度连续墩墩身在地震作用下的内力如表3所示。

表3 E2地震作用下墩柱内力

3.1 墩柱验算

根据恒载轴力和E2地震作用下轴力的组合值，通过M-Φ曲线分析，可得墩柱在不同状况轴力下的等效屈服弯矩如表4所示。

表4 E2地震作用下墩柱等效屈服弯矩

由表3、4可知，E2地震作用下顺桥向墩底、横桥向墩顶的等效屈服弯矩均小于其地震内力值，均进入塑性状态，发生损伤。此时墩柱的抗剪须按能力保护原则设计，其塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度要满足《抗震细则》（ 7.3.4） 条的计算规定。

不难得出9m高度连续墩墩身顺桥向超强弯矩为1.2×5873=7047.6（ kN·m），顺桥向剪力设计值为7047.6/9=783.1（ kN）。

对于横桥向，第一迭代计算结果如表5所示。

表5 横桥向第一次迭代计算结果

建立单独的盖梁墩柱计算模型，将上表中盖梁水平力施加于模型中，得出墩柱轴力和恒载轴力叠加后的第二次迭代计算结果如表6所示。

表6 横桥向第二次迭代计算结果

由表6可知两次计算的盖梁等效水平力相差-2.39%，故墩柱横桥向剪力设计值可认为是1805.7kN。

根据《抗震细则》 （7.3.4） 条，对于现状墩柱箍筋配置，可得出墩柱斜截面抗剪强度值为1488kN。所以，墩柱塑性铰区域横桥向的斜截面抗剪不满足规范要求，需增加箍筋的配置。如果采用HRB400的圆环焊接箍筋，加密区间距7.5cm，当箍筋直径分别为12、14、16mm时，墩柱斜截面抗剪强度值分别为1327、1754、2248kN。由此可知，只有至少采用直径16mm的箍筋时，才能完全满足规范要求，而采用直径14mm的箍筋时，墩柱斜截面抗剪强度与剪力设计值相差不大，考虑到超强系数1.2的存在，基本也可认为是满足能力保护设计要求的。

3.2 桩基验算

桩基作为能力保护构件，在E2地震作用下应基本不发生损伤。所以，和E1地震作用下类似，E2地震作用下桩基仍需按照压弯构件，验算其承载能力。桩基计算结果如表7所示。

表7 E2地震作用下桩基强度验算

目前桩基配筋采用 （14+14） 根Φ28，桩基配筋率0.86%不能满足桩身完全按线弹性计算的承载力要求，而桩基需求配筋率1.7%只有采用像 （14+14+28） 根Φ28的束筋 （在原配筋的基础上再增加28根钢筋组成束筋） 才能达到。《抗震细则》中规定：在验算桩基础截面抗弯强度时，截面抗弯能力可采用材料强度标准值计算。相应条文说明指出由于地震是偶遇荷载，故可采用标准值计算。所以，这里可以采用材料标准值对桩基重新进行验算。更为简便地，可直接根据桩身的M-Φ曲线分析，得出桩身在实配钢筋下的等效屈服弯矩，与桩身最大弯矩进行比较。

现修改桩基配筋为束筋形式 （14+14+28） 根Φ25，总配筋率为1.37%，即从桩顶到桩顶以下10m左右范围增加28根钢筋组成束筋，10m以下按常规一半钢筋伸至桩顶以下18m左右，另一半通长布置。此时桩基在轴力5125、1854和8396kN下的等效屈服弯矩分别为9314、7989和10412kN·m，均大于对应的桩身最大弯矩，此时可认为桩基满足承载力要求。

4 关于墩柱箍筋配置

墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋须满足《抗震细则》 （8.1.2）条最小体积含箍率的要求，计算公式为：

针对本文的计算模型，对9m高度连续墩的最小体积含箍率进行计算。箍筋分别采用HPB300、HRB400，结果如表8所示。

表8 最小体积含箍率比较

由表8可知，提高箍筋等级可以降低最小体积含箍率的限值要求。当箍筋采用等级为HPB300、直径10mm的双螺旋箍筋并置形式，加密区间距为7.5cm时，墩柱的实际箍筋体积含箍率为0.644%；当采用等级为HRB400、直径分别为12、14、16mm的圆环焊接箍筋，加密区间距为7.5cm时，实际箍筋体积含箍率分别为0.464%、0.631%、0.825%。

所以，当采用等级为HRB400、直径16mm的圆环焊接箍筋，加密区间距为7.5cm时，满足对应其钢筋等级的最小体积含箍率要求。

5 结语

由静力计算和工程经验相结合而确定的30m连续T梁桥下部结构配筋形式，在地震作用下，有些环节不满足延性体系的抗震设计要求。所以，需要经过详细的抗震计算后对这些环节进行调整和修正。

①对于桩接柱的下部结构形式，工程习惯上采用的桩柱纵向钢筋等直径、等根数配置明显不符合桩基按能力保护原则设计要求。在墩柱采用的纵向钢筋配置满足静力计算、E1地震计算下线弹性要求，最小配筋率要求和工程习惯要求的条件下，应尽可能地增加桩基的纵向配筋率，以保证桩基基本不受损坏，而采用束筋不失为一种很好的方式。

②习惯上墩柱采用的等级为HPB300、直径10mm的双螺旋箍筋并置形式很难满足墩柱的斜截面抗剪和最小体积含箍率要求，应全面改为等级为HRB400，直径更大的圆环焊接箍筋。

③以往不重视系梁的计算和主筋配置，其实作为耗能构件，虽然容许在E2地震作用下发生破坏，但为了满足E1地震作用下的线弹性设计要求，应适当增加系梁的主筋配置。

本文只是针对30m连续T梁桥9m高度的下部结构做了一定的抗震计算分析，得出的结论可以给工程实际一定的参考。对于其他墩更矮或墩更高的下部结构，其地震反应会有很多不同，同样需要全面的计算，才能最终确定出合理的钢筋配置形式，确保结构的安全。