8 度地震区高速公路桥墩抗震设计分析

陈 浩

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 工程概况

1.1 工程简介

濮阳至菏泽高速公路菏泽段位于山东省西部地区，是濮阳至阳新高速公路的重要一段，同时也是山东省高速公路路网骨架“七连”中的第七条连接线。濮阳至阳新高速公路菏泽段线路全长66.8 km，全线设有互通立交6 处，服务区2 处。本项目桥涵结构物众多，主线桥梁长度占线路总长的9.27%。全线桥梁桥位处地势平坦、地形开阔，位于高烈度地震区，且地质条件较差，存在地震液化现象。

1.2 技术标准

设计标准采用时速120 km/h，双向四车道，整体式路基宽度27 m，分离式路基宽度2×13.5 m。桥梁设计荷载为汽车公路-I 级；桥梁结构设计安全等级为一级。

1.3 自然环境特点

项目所在区域位于黄河冲积平原，地势相对平坦，高差起伏较小，地貌以决口扇形地和缓平坡地为主。不良地质主要为地震液化和强震区。

1.3.1 地震液化

沿线普遍分布的粉土、粉砂、细砂，稍密—中密，饱和。该地区设防地震烈度为7～8 度，区内地震动峰值加速度0.15～0.20 g，根据标准贯入试验进行液化判别，沿线液化等级轻微—严重。

1.3.2 强震区

根据《濮阳至阳新高速公路菏泽段工程场地地震安全性评价报告》成果报告，近场区的活动断裂主要有聊考断裂、小宋-解元集断裂、菏泽断裂、东明-成武断裂、凫山断裂、单县断裂等六条。未来百年区域地震处于活跃时段的后期，仍存在发生7级左右地震的可能。

2 桥梁结构设计原则

2.1 上部结构

（1）项目区域地震动峰值加速度为0.15 g、0.20 g，为方便震后桥梁上部维修工作，主线桥梁上部结构一般采用简支结构、桥面连续形式。（2）对于一般的中小跨径中小桥梁、位于大半径路段的特大和大桥，桥梁结构形式应考虑标准化设计，以简化设计和施工，一般桥梁尽可能采用同一种跨径，对于多孔长桥，桥梁孔径布置也可采用两种跨径组合，并考虑施工工艺的可行性［1］。（3）对于线路标高较低，且主要跨越较小道路及沟槽的桥梁，跨度以13 m、16 m 标准跨径为主。（4）对于地势平坦、平均墩高＜10 m 的桥梁，跨度以25 m 标准跨径为主；地质条件较差的情况，跨度以30 m 标准跨径为主。（5）平曲线半径较小的桥梁，若采用装配式标准跨径，应进行必要的技术处理，预制梁（板）折线布置，不得出现较严重的审美缺陷。也可根据实际情况选取跨径小的标准跨径，但若下部构造工程量较大，应与现浇结构进行技术经济比较［2］。

2.2 下部结构

2.2.1 桥墩设计

物体集合隐喻既留下了负数问题，也留下了分数问题。在总结物体集合隐喻时，莱考夫说：“对数的这种理解还留下了缺口：它对2减5或2除以3没有给出有意义的描述。”[2]65 而对象建构隐喻则对分数隐喻映射作了说明。

一座桥梁应尽量统一桥墩类型，最多不超过两种，以便施工。桥梁桥位区域地震烈度较高（0.15 g和0.20 g），针对变宽桥梁，个别采用多柱式结构。桥墩一般采用柱式墩，设计时应根据跨径、墩高和地形条件具体情况分别选用不同的桩径、墩径［3］。

柱式墩系梁的设置：当墩高＜5 m 时，桩顶一般不设系梁；当5 m ＜墩高＜12 m 时，考虑设置一道地系梁；当墩高＞12 m 时，设置一道中系梁。考虑到全桥美观协调，中系梁尽量布置在距离盖梁相同高度处，地系梁原则上设于地面以下。

2.2.2 桥台设计

结合线位、地形、地质及布跨情况，采用扶壁式、肋板式、薄壁式等桥台形式。桥台一般以桥头路基填土高度8 m 左右控制。当地质条件较好、桥头地势相对平缓时，桥头填土高度可酌情放宽至8～10 m；当地质条件很差时，桥头填土高度不应大于6～8 m。

2.2.3 基础设计

根据地质、地形条件，选择合适的扩大基础或桩基础。为了更好地保护自然地貌，避免大面积开挖，较陡边坡上不宜选用扩大基础。对于水下基础，应综合考虑水文地质条件和施工工艺等，选取合理的基础形式。位于陡坡上的桩基础，桩长设计时应考虑斜坡的影响。不可避免位于河道、沟槽内的桩基，桩长设计应考虑冲刷的影响。

3 结构内力计算

桥梁上部结构主要采用13 m、16 m 空心板和25 m 小箱梁，下部结构主要采用桩柱式桥墩。以三跨16 m 简支空心板梁为例，桥墩形式采用双柱式桥墩，墩身直径1.2 m，墩高5 m，桩径1.4 m，桩长44 m。首先采用Midas 软件建立桥梁有限元模型，采用地震反应谱法，对E1 和E2 地震作用下结构的内力进行分析计算。空心板有限元模型见图1。

图1 空心板有限元模型

根据《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020，以下简称规范）［4］，由于本桥地基内有液化土层，应根据液化抵抗系数，对液化土层的承载力（包括桩侧摩阻力）、地基系数进行折减。结构在E1 地震力组合下产生的纵桥向弯矩和横桥向弯矩见图2、图3，在E2 地震力组合下产生的纵桥向弯矩和横桥向弯矩见图4、图5［5］。

图2 E1 地震力组合下顺桥向弯矩My/（kN·m）

图3 E1 地震力组合下横桥向弯矩Mz/（kN·m）

图4 E2 地震力组合下顺桥向弯矩My/（kN·m）

图5 E2 地震力组合下横桥向弯矩Mz/（kN·m）

4 E1 地震下桥墩抗震设计

为满足8 度地震区桥梁抗震设计要求，桥墩主筋采用24 根Φ25 mm 钢筋，箍筋采用Φ10 mm 钢筋双肢并绕加密，箍筋间距10 cm。采用Midas Civil 进行RC 桥墩抗震设计分析。

根据抗震设计有关要求，E1 地震作用下，桥墩的抗弯刚度均按毛截面计算，需进行桥墩墩身强度验算。由表1 可以看出，在E1 地震作用下桥墩单元的轴力和偏心弯矩均小于其抗力，结构处于弹性状态，故E1 地震下桥墩的墩身强度满足规范［4］要求。

表1 E1 地震力组合下桥墩单元强度验算

5 E2 地震下桥墩抗震设计

根据抗震设计有关要求，E2 地震作用下，桥墩的截面抗弯刚度需进行折减，按有效截面抗弯刚度进行计算［6］。如果结构仍处于弹性状态，需对桥墩墩身强度和墩顶位移进行验算；如果结构进入塑性状态，需对桥墩塑性铰抗剪和墩顶位移进行验算。

5.1 E2 地震下桥墩强度验算

由表2 可以看出，在E2 地震作用下，桥墩958号单元和959 号单元在荷载组合4 下的偏心弯矩大于其抗力，桥墩墩身强度不满足要求，即桥墩在E2地震作用进入塑性，故需对墩顶位移和塑性铰抗剪进行验算。

表2 E2 地震力组合下桥墩单元强度验算

5.2 墩顶横向容许位移计算

对于双柱式墩，在计算桥墩横向容许位移时，首先建立桥墩-盖梁计算模型，然后给盖梁施加一个假定的横向水平力F，再对结构体系进行非线性静力分析。墩柱的塑性铰区域一般为墩顶或墩底，当墩顶（底）的任一塑性铰区域达到最大容许转角或墩顶（底）控制截面达到最大容许曲率时，盖梁的横向水平位移为容许位移。采用Pushover 程序计算墩顶横向容许位移，假定桥墩进入塑性，在考虑初始荷载的情况下，根据设定的推倒方式（横向水平力），逐级加载，控制墩顶（底）截面的任一塑性铰达到最大容许曲率，此时的横向位移为最大容许位移［7］。

5.3 墩顶位移验算

E2 地震作用下，桥墩顺桥向和横桥向墩顶位移需满足：

式中：Δd—E2 地震下的墩顶位移，m；Δu—桥墩容许位移，m。

采用Midas 建立有限元模型，采用Pushover 程序计算墩顶横向容许位移，计算结果见表3。

表3 E2 地震力下桥墩墩顶位移验算

由表3 计算结果可知，E2 地震作用下桥墩的墩顶位移满足规范［4］要求。

5.4 塑性铰抗剪验算

由表4 计算结果可知，E2 地震作用下，桥墩塑性铰区剪力值均小于其抗力值，故塑性铰抗剪强度满足规范［4］要求。

表4 E2 地震力下桥墩塑性铰抗剪强度验算

6 结语

按照提出的8 度区桥墩配筋设计方式，即墩身主筋采用24 根Φ25 mm 钢筋，箍筋采用Φ10 mm的钢筋双肢并绕加密，箍筋间距采用10 cm。采用Pushover 分析方法，在E1 地震作用下桥墩处于弹性状态，墩身强度满足规范［4］相关要求；在E2 地震作用下桥墩局部将进入塑性状态，墩顶位移和塑性铰抗剪强度均能满足规范［4］要求。