某装配式小箱梁桥减隔震与延性抗震设计比较

茹 毅，于西尧

（天津市市政工程设计研究院，天津市300051）

0 引 言

我国是地震灾害多发国家，近年来频发的地震灾害中，桥梁结构的破坏导致了巨大损失，这使得桥梁抗震设计在整个桥梁的设计过程中得到了越来越多的重视。随着《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01—2008）[1]和《城市桥梁抗震设计规范》（CJJ 166—2011）[2]的实行，桥梁抗震设计也有了更加清晰的依据和思路。依据规范，桥梁抗震设计主要有两种方法，即延性设计和减隔震设计。

延性抗震设计通过桥墩的塑性变形来消耗地震能量，同时塑性铰的形成能够降低结构刚度，从而减小地震输入。延性抗震设计的基本目标是使桥墩产生塑性铰，并确保其潜在塑性铰区域的延性能力，同时脆性构件和能力保护构件即不宜用于耗能的构件处于弹性反应范围[3]。

桥梁减隔震设计通过引入隔震装置改变结构在地震中的动力响应特性，从而减小地震输入，同时通过其自身或附加的高阻尼装置来消耗地震能量。其基本目标是减小传递到结构上的地震力和能量，使桥梁下部结构处于弹性反应范围[4]。

两种设计方式在实际工程中都得到了一定的应用，然而针对高速公路上常用的装配式小箱梁结构的抗震设计，有关研究仍相对较少。本文以某高速公路上的小箱梁桥为例，依照现行规范对其分别进行延性设计和减隔震设计，并在此基础上将两种设计方法进行对比，从而为同类桥梁的抗震设计提供一定参考。

1 工程背景

某高速上3×20 m 先简支后连续预应力混凝土小箱梁桥，单幅桥宽13 m。该桥为大桥中的一联，下部结构为桩柱式结构，桥墩与桩基均为圆形截面，墩柱直径1.2 m，桩基直径1.5 m。抗震设防类别为B 类，设防烈度为7 度，场地类型为Ⅲ类，场地基本特征周期0.35 s，设计基本地震动加速度峰值为0.15g。

采用有限元软件midas Civil 建立该桥的有限元模型，如图1 所示。主梁、墩柱和桩基均采用梁单元模拟，桩基础单元节点上建立弹性支承，其刚度由土介质的动力m 值计算。

图1 有限元模型

2 延性抗震设计

依照抗震细则，采用反应谱法对该桥进行延性抗震设计。根据抗震设计参数，相应的反应谱曲线如图2 所示。

图2 E2 地震作用下反应谱曲线

延性抗震设计时，中墩支座采用板式橡胶支座，墩柱主筋采用24 根C22 钢筋。根据延性抗震设计构造要求，箍筋布置形式为双层A10 箍筋，塑性铰位置处箍筋加密，间距10 cm，其余位置箍筋间距20 cm。根据截面及材料特性计算截面的弯矩-曲率关系曲线，计算时约束混凝土本构关系选用Mander 模型，钢筋本构关系选用双折线模型。计算结果如图3 所示。

图3 截面弯矩-曲率曲线

利用有限元模型计算地震力作用下墩柱受力。计算结果表明，E1 地震作用下墩柱处于弹性状态。E2 地震作用下墩底计算弯矩为3752 kN·m，通过弯矩-曲率关系曲线计算所得墩底截面等效屈服弯矩为2761 kN·m。显然E2 地震作用下墩底将进入延性状态。

墩底截面进入延性后，截面刚度变小，将其等效抗弯刚度即等效屈服弯矩与等效屈服曲率的比值带入原模型，重新进行E2 地震作用下的计算。依照抗震细则，须进行墩柱变形和塑性铰区抗剪强度的能力保护计算。

墩柱容许位移按下式计算：

式中：φy为截面等效屈服曲率；θu为塑性铰区域的最大容许转角；Lp为等效塑性铰长度；H为悬臂墩的高度。Lp可根据墩柱的高度及纵向钢筋直径和抗拉强度标准值求得；φy、θu均可利用墩底截面弯矩-曲率曲线求得。

墩柱延性设计计算结果见表1。

表1 墩柱位移及塑性铰区抗剪验算

根据能力保护原则进行桩基础配筋设计，设计剪力及弯矩依据墩底等效屈服弯矩计算并考虑超强系数。根据计算结果，桩基配置24 根C28 钢筋，根据延性抗震设计构造要求在桩顶7.5 m 范围内设置双层A10 箍筋，间距10 cm。

3 减隔震抗震设计

装配式小箱梁结构支点反力较小，常用的减隔震支座类型有铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座。本文桥梁中支点位置拟采用高阻尼橡胶支座。高阻尼橡胶支座既可以保持叠层橡胶支座所具有的良好力学性能，同时具有较高的阻尼值，在地震中可以有效吸收地震能量，减轻地震响应。

减隔震分析计算中，高阻尼橡胶支座型号为HDR d345×167-G1.0。其主要性能参数见表2。根据表2 参数，在有限元模型中建立一般连接模拟支座特性。

表2 高阻尼支座性能参数

采用时程分析法进行减隔震计算分析，根据反应谱曲线生成人工地震波用于时程分析。采用三组时程波计算，取三组计算结果的最大值。时程分析计算结果见表3。

表3 墩底地震响应验算

采用高阻尼支座后，E2 地震作用下墩底计算弯矩为2487 kN·m，小于等效屈服弯矩2761 kN·m，即桥墩在E2 地震作用下能够保持弹性。E2 地震作用下墩柱剪力为369 kN，墩柱抗剪能力满足要求。桩基础正常配筋设计，配置24 根C25HRB400钢筋。

4 延性与减隔震抗震设计比较

依据文中抗震设计实例，对比两种抗震设计体系。

延性抗震体系通过在墩柱潜在塑性铰区域加密箍筋，使结构的延性能力超过预期地震所引起的延性需求。同时为确保桥梁非塑性铰区域弹性能力高于塑性铰区，采用能力保护构件的设计方法，对桩基进行加强设计。

减隔震抗震体系在上部小箱梁和下部结构之间设置高阻尼支座，以增大原结构体系阻尼和周期，降低结构的地震反应，达到预期的防震要求。

E2 地震作用后，延性抗震体系在灾后恢复和重建阶段需对墩柱塑性铰区进行修补和加固；减隔震体系在理想情况下经过检查和复位作业即可恢复通行能力[5]，但桥梁抗震能力取决于减隔震支座的性能，因此对其可靠性要求较高。

从工程经济性角度考虑，依据有关施工单位提供的价格分别计算按延性抗震体系和减隔震体系设计时新增的工程数量及相应造价。延性抗震体系钢筋增量主要来自墩柱及桩基箍筋加密以及桩基配筋率的提高，减隔震体系造价增加主要是由于高阻尼橡胶支座单价相对普通板式橡胶支座高。计算结果见表4。从表中数据可以看出，针对文中工程实例，采用减隔震体系较经济。

表4 两种抗震体系新增造价比较

5 结 语

为研究装配式小箱梁结构延性抗震体系和减隔震体系的区别，本文以某高速上3×20 m 装配式小箱梁桥为工程背景，建立有限元模型。首先分别采用延性抗震体系和减隔震抗震体系对其进行抗震设计，结合实例说明两种方法的设计过程和要点。然后比较其抗震设计思路、震后恢复方法和工程造价。结果表明，针对文中工程实例，采用高阻尼支座的减隔震体系能够节省钢筋用量，节约工程造价，减小震后恢复难度，但桥梁的抗震能力取决于减隔震支座性能，采用减隔震体系设计的桥梁应重视减隔震支座的可靠性。