平原区双柱墩桥梁抗震性能研究

宋志仕

（湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410200）

1 引言

桥梁结构是公路交通中的重要组成部分，在地震灾害发生时，桥梁结构能否保通抢险是保证人民生命安全的基本前提。因此，桥梁抗震设计尤为重要。本文通过对益常高速公路扩容工程双柱墩桥梁抗震设计进行研究，为类似项目的抗震设计提供设计思路和关注重点。

2 工程概况

益常高速扩容工程跨越地区地势平坦，基本农田区居多，为了最大限度地保护基本农田，设计中采用桥梁比重较大（为67.9%）。K59～K93（终点）均采用桥梁跨越，本区段内抗震设防烈度为Ⅶ度，K59～K86 设计基本加速度值为0.10g，K86～终点设计基本加速度值为0.15g，地震动反应谱特征周期均为0.35 s，场地类别均为Ⅱ类[1]。

全线上部结构主要采用30 m 连续小箱梁，单幅桥梁宽度为16.75 m，梁高1.6 m，单幅桥梁横向布置3 片中梁及2 片边梁。下部结构采用盖梁双柱式墩，盖梁高1.8 m、宽2 m，柱间距9.1 m。全线墩高分布在8～15 m（含盖梁）区间内居多。

本文选取典型4 m×30 m 连续小箱梁进行抗震性能研究（地震参数：设计基本加速度值0.15g，地震动反应谱特征周期0.35 s，场地类别Ⅱ类）。

3 抗震分析方法

桥梁抗震分析的方法有静力法、反应谱法、动力时程分析法、随机振动法、等效线弹性分析方法等[2]。根据JTG/T 2231-01—2020《公路桥梁抗震设计规范》[3]划分，本项目30 m连续小箱梁为B 类规则桥梁。且设计基本加速度值为0.15g，需进行E1 和E2 地震作用下的抗震分析和抗震验算，并满足相关构造及抗震措施要求，抗震分析方法可采用单振型反应谱法。

B 类梁桥，可采用两种抗震体系：（1）延性抗震设计；（2）减隔震设计。本项目装配式桥梁采用延性抗震设计，典型双柱墩的耗能部位（即潜在塑性铰区域）如图1 所示。

图1 双柱墩的耗能部位（潜在塑性铰区域）示意图

4 抗震分析要点

按典型4 m×30 m 一联进行计算，一联内墩高相差不大，可仅建立单墩模型进行抗震分析，上部恒载及挡块等以荷载的形式加载在对应位置。利用有限元分析软件Midas Civil 2020 建立单墩模型，采用反应谱法进行桥梁抗震分析。

4.1 桩柱直径选取及配筋信息

根据本项目墩高特点，选取表1 中4 种工况进行抗震分析。

表1 抗震分析工况

4.2 荷载工况

抗震分析考虑以下4 种地震组合：

1）E1 纵向组合：恒载+E1 纵向地震效应；

2）E1 横向组合：恒载+E1 横向地震效应；

3）E2 纵向组合：恒载+E2 纵向地震效应；

4）E2 横向组合：恒载+E2 横向地震效应。

4.3 计算分析流程

1）建立单墩模型，加载上部结构恒载，桩土作用采用节点弹性支撑进行模拟。

2）计算顺桥向E1、横桥向E1，加载后按混规计算结构内力、位移反应。结构均需处于弹性阶段。

3）计算混凝土的极限压应变εcu、约束钢筋的折减极限应变εRcu、纵筋的折减极限应变εlu作为轴力-弯矩-曲率曲线计算极限破坏状态的曲率能力φu的判别条件。

4）对墩柱进行刚度折减后，计算顺桥向E2、横桥向E2，加载后按JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算结构内力、位移反应：若满足弹性工作要求，则按E2+恒载作用计算结果进行墩柱抗剪、盖梁、基础设计；若计入塑性工作范围，则需验算墩顶位移，并按能力保护原则进行墩柱抗剪、盖梁、基础设计。

5）进行斜截面抗剪强度验算，并验算是否满足最小配箍率要求。

5 主要抗震分析结果

5.1 纵向地震力E1 求解及结构验算

在固定支座顶面加载单位荷载计算结构响应，求得顺桥向的基本周期T1、顺桥向固定支座顶面地震力Ektp、顺桥向活动支座顶面地震力Ekti。将E1 纵向组合作用在结构上进行计算分析，4 种工况下，墩柱均处于弹性受力状态，满足规范要求。

5.2 横向地震力E1 求解及结构验算

在上部结构质心处加载均布荷载p0=1 kN/m 计算结构响应，横桥向的基本周期T1、横桥向地震等效均布荷载pe。将E1横向组合作用在结构上进行计算分析，4 种工况下，墩柱均处于弹性受力状态，满足规范要求。

5.3 纵向地震力E2 求解及结构验算

1）对墩柱刚度进行折减后，求得T1、Ektp、Ekti。将E2 纵向组合作用在结构上进行计算分析。4 种工况下，墩柱均不满足弹性受力要求，需进行墩顶位移验算。

2）顺桥向墩顶容许位移：Δu=H2φy/3+(H-Lp/2)θu，其中，H为墩高；φy为等效屈服曲率；Lp为等效塑性铰长度；θu为塑性铰区的最大容许转角。

E2 纵向组合作用下，墩顶位移Δd从Midas 模型分析提取，见表2。

表2 E2 纵向组合作用下墩顶位移验算

由表2 可知，4 种工况下，墩顶位移均满足要求。

5.4 横向地震力E2 求解及结构验算

1）对墩柱刚度进行折减后，求得T1和pe。将E2 横向组合作用在结构上进行计算分析。4 种工况下，墩柱均不满足弹性受力要求，需进行墩柱变形验算。

2）采用静力推倒分析方法进行墩柱变形验算，当墩柱任一塑性铰处达到最大容许曲率值（φu/2）时，墩顶的横向水平位移即为容许位移Δu。

E2 横向组合作用下，墩顶的横向水平位移Δd可从Midas模型分析提取，见表3。

表3 E2 横向组合作用下墩顶位移验算

由表3 可知，4 种工况下，横向水平位移均满足要求。

5.5 塑性铰区斜截面抗剪强度验算

本次验算的4 种工况，在E2 地震作用下，塑性铰区截面均进入塑性工作范围，需采用超强弯矩进行斜截面抗剪强度验算：

纵向抗剪验算需满足：Vc0Z=Mn/Hn≤φ(Vc+Vs)；

横向抗剪验算需满足：Vc0H=（Mnt+Mnb）/Hn≤φ(Vc+Vs)。式中，Vc0Z、Vc0H为剪力设计值；Mn为超强弯矩；Mnt为墩顶塑性铰区域截面的超强弯矩；Mnb为墩底塑性铰区域截面的超强弯矩；Hnb为塑性铰中心距；φ 为抗剪强度折减系数；Vc为混凝土的抗剪贡献；Vs为横向钢筋的抗剪贡献。

4 种工况下，塑性铰区螺旋箍筋间距s、最不利剪力设计值Vc（0取Vc0Z、Vc0H中的较大值）及抗剪强度φ(Vc+Vs)结果见表4。

表4 斜截面抗剪验算

由表4 可知：

1）在同样是8 m 墩高的情况下，采用1.4 m+1.6 m 桩柱较1.6 m+1.8 m 桩柱能获得更大的螺旋箍筋间距，更利于保证振捣质量。

2）同样的桩柱直径组合（1.6 m +1.8 m 桩柱）下，墩高越高，满足要求的螺旋箍筋间距越大。

5.6 塑性铰区最小配箍率验算

圆形墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的最小配箍率ρs,min要求：

式中，ηk为轴压比；ρt为纵向配筋率；fck为混凝土抗压强度标准值，MPa；fyh为箍筋抗拉强度设计值，MPa。

4 种工况下，墩柱潜在塑性铰区的配箍率ρs及最小配箍率要求ρs,min均满足要求。

6 结论

1）平原区双柱墩桥梁，由于一联内的墩高基本一致且地质变化不大，可采用单墩模型进行分析。

2）在满足E1 地震组合作用下处于弹性工作状态、E2 地震组合作用下满足变形要求的前提下，采用较小直径的桩柱组合能获得更大的塑性铰区螺旋箍筋间距，更利于对工程质量的把控。

3）对于同样的桩柱直径组合，墩高越小，塑性铰区螺旋箍筋间距越小，抗震分析中需要重点关注矮墩。