高烈度地区城市高架桥抗震设计探讨

武庆喜

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州 730030）

1 抗震体系选择

桥梁结构的抗震体系有两种，即延性抗震体系和减隔震抗震体系。

延性抗震体系通过桥墩的弹塑性变形耗能；减隔震抗震体系通过桥梁上、下部结构的连接构件耗能，一般采用减隔振支座。设计时，只能选择其中一种抗震体系，不能同时选用两种体系。

城市高架桥具有上部结构梁体宽、自重大，下部结构墩柱刚度大、自振周期短等特点。

地震时，高烈度地区城市高架桥的墩柱受力比较大，采用延性抗震体系会使墩柱、基础的工程量显著增加，方案的经济性较差。

有研究表明，与延性抗震体系相比，对中、矮墩采用减隔震体系更经济，随着墩高增大，经济性差异逐渐减小。采用减隔震体系的桥梁在震后不需要维修或只需简单维修，可以快速恢复使用，对城市交通的影响较小。城市高架桥多采用中、矮墩，墩高在15 m内。

高烈度地区高架桥抗震体系宜首选减隔震体系，桥梁减隔震设计常采用减隔震装置，包括铅芯橡胶支座、高阻尼橡胶支座和摩擦摆式支座。

2 抗震分析建模原则

2.1 减隔震抗震分析方法

减隔震支座具有非线性特性，采用减隔震体系的桥梁属于非规则桥梁，减隔震桥梁应采用非线性动力时程分析方法或多模态反应谱法进行抗震分析。

（1）减隔震桥梁的基本周期（隔振周期）大于3 s。

（2）减隔震桥梁的等效阻尼比超过30%。

（3）考虑竖向地震作用。

2.2 建模原则及参数选择

（1）计算模型应考虑相邻结构和边界条件的影响，通常将计算模型相邻联桥梁结构作为边界条件，否则不能真实反映过渡墩的地震效应。

（2）桩土效应采用土弹簧模拟，弹簧刚度采用m法计算或在承台底加6个方向的弹簧等效模拟，弹簧刚度根据土层状况和桩布置按m法计算，一般情况下，m动=（2～3）m静。

（3）在计算模型中，梁体和墩柱采用空间杆系单元模拟，预应力箱梁宜保留预应力钢束作用。忽略箱梁预应力作用时，支座反力会有较大差异，引起墩柱地震作用效应偏差。

（4）抗震支座采用双线性恢复力模型模拟，根据支座恒载支反力设计位移，合理确定支座的特征强度、线性刚度、屈后刚度和等效刚度等参数。

（5）横桥向和纵桥向的振型、刚度、阻尼比不同，在反应谱分析和时程分析时的横桥向、纵桥向抗震分析均应单独建立模型计算。

3 工程概况

桥型布置如图1所示。

图1 桥型布置（单位：mm）

横断面布置如图2所示。

图2 横断面布置（单位：mm）

某城市高架桥部分引桥孔跨布置为30 m+4×30 m+3×35 m，对4×30 m联进行分析。

上部结构采用预应力混凝土等高连续箱梁，桥宽度为24.5 m，梁高1.8 m。

桥墩采用分离式柱式墩，墩柱截面尺寸为2 m×2 m，基础采用钻孔灌注桩，桩径1.2 m；支座采用摩擦摆减隔震支座，最大允许位移200 mm。

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），桥址区抗震设防烈度为8度，设计地震动峰值加速度0.30g，地震动加速度反应谱特征周期0.4 s，地震分组为第二组。根据钻孔剪切波测试结果可知，桥址区为Ⅱ类场地。

支反力及支座选型如表1所示。

表1 支反力及支座选型

4 反应谱分析

4.1 反应谱迭代计算

减隔震装置具有非线性特性，反应谱法是一种线性分析方法，采用反应谱法进行抗震计算时应采用等效刚度、等效阻尼比和等效阻尼修正后的反应谱进行计算。

分析前，减隔震装置的位移是知，等效刚度和等效阻尼比也未知，反应谱法分析是一个迭代过程。

（1）建立桥梁抗震计算模型，初始计算时的各支座刚度取初始刚度，全桥等效阻尼比取0.05。

（2）首次计算后，得到各支座位移，根据位移计算支座等效刚度、全桥等效阻尼比，根据全桥等效阻尼比修正设计加速度反应谱值。

（3）重新进行抗震计算，再次得到各支座位移，新的位移值与上次计算结果相差大于3%时，继续修正支座等效刚度、全桥等效阻尼比和设计加速度反应谱值，进行迭代计算，前后两次计算的位移误差小于3%时，迭代结束。

4.2 计算结果

反应谱计算参数及结果如表2所示。

表2 反应谱计算参数及结果

由表2可知，桥梁隔振周期随着迭代次数增加而增大，从2.10 s增大至4.22 s，在第一次迭代结束后，隔振周期已大于3 s，本工程抗震分析必须采用非线性动力时程方法。

分析支座位移结果，迭代终止时支座位移达661 mm，远大于抗震支座的允许位移（200 mm），其位移计算结果不合理。

5 时程分析

5.1 地震波选取

已完成地震安全性评价工程，可以根据地震安全性评价结果确定地震波。

对于未做地震安全性评价的场地，可以根据规范设计加速度反应谱人工拟合地震波，也可以通过时域方法调整实际地震的地震波，使其加速度反应谱与规范设计加速度反应谱相匹配。时程分析至少需要3组地震波，计算结果取最大值；采用7组以上地震波时，计算结果取平均值，本次采用3组拟合地震波。

5.2 计算结果

以纵向地震计算为例，计算结果取3组地震波的最大值，墩底内力及支座位移如表3所示。

表3 墩底内力及支座位移

桩基础最内力如表4所示。

表4 桩基础最内力

5.3 抗震验算

进行桥墩、基础的验算时，应将地震作用乘以0.667的折减系数，按现行《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）进行配筋验算。桩基础竖向承载力的验算不包含地震作用。

6 结语

高烈度地区城市高架采用中、矮墩（桥墩高度不大于15 m）时，宜采用减隔震抗震体系。采用反应谱法进行减隔震设计时，支座等效刚度、全桥等效阻尼比和设计加速度反应谱值应进行迭代计算；减隔震桥梁基本周期（隔振周期）大于3 s或等效阻尼比超过30%时，反应谱抗震计算结果不准确，必须采用非线性动力时程方法。