城市公路桥梁下部结构抗震研究

葛粟粟,李 扬

（1.中国市政工程中南设计研究总院有限公司西安分院,陕西 西安 710065; 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710065）

0 引言

桥梁抗震设计一直都是桥梁整体设计中的难点问题，在地震动荷载作用下桥梁主体位移破坏和桥墩破坏较为严重。我国桥梁抗震设计研究从20世纪50年代到90年代主要采用弹性抗震设计[1]方法，由于该方法操作简便，容易被现场施工技术人员接受，但桥梁经受地震持续作用后桥面和桥墩损害严重，桥梁设计时仅考虑强度要求，难以满足桥梁结构抗震要求。因此，在进行桥体结构设计时，要保证桥墩和基础的变形耗能和延伸性能。

1 桥梁设计方法改进

1.1 抗震设计方法改进

以往桥梁抗震设计方法主要采用反应谱法，以静力分析法[2]为主，缺少对桥体下部结构的抗震变形和延性的考虑，随着人们对地震作用机理和破坏特点的了解，在原有静力解析法和反应谱法的基础上，将非线性运动方程和非线性静力分析法引入桥梁结构设计中，使桥梁下部结构满足地震时的变形设计要求。

1.2 抗震设计规范改进

早期桥梁抗震设计主要是针对桥梁结构强度进行设计，将地震等外荷载当做静荷载进行研究，在地震后对桥梁破坏情况总结分析后提出了延性抗震设计[3]方法，但该方法依然属于对整体结构强度的改进，对桥梁经下部受地震时的水平方向和竖向变形缺少考虑。由于我国早期桥梁建造时经济等因素的限制，设计规范时允许桥梁主体在地震作用下发生塑性变形，这样的设计理念显然是不合适的，有学者提出基于位移的抗震设计方法，在20世纪90年代，才将基于位移的抗震设计方法引入到规范中。

1.3 抗震技术的应用

早期抗震设计主要从提升桥梁下部结构的强度和变形能力来提升桥梁整体的抗震能力，这种桥梁结构设计能承受地震能量从土体内部传到至桥墩基础，但如何找到能抵抗地震能量冲击的桥墩基础的原料，一直是桥梁抗震设计要面对的主要问题。现有的抗震技术通过设置塑性铰链和设计细部构造来减小桥梁在地震时主体结构垮塌，但桥墩基础的损坏是不可避免的，经受地震波作用后的桥墩基础大多不能满足桥梁原设计时的承载力要求。因此，经历过强震的桥梁在后期改建时往往从原桥梁附近修建新的桥梁。也有相关研究人员提出了主控制技术、被动控制技术、减隔震技术[4]等抗震技术手段，其技术原理是将地震时可能发生较大水平变形的运动支座与上部结构分隔开，减小地震能量对上部结构的传导。

2 桥梁下部抗震设计优化

为研究桥梁下部结构在地震动荷载作用下的破坏变形规律，优化桥梁下部结构设计，采用Midas/Civil软件建立预应力混凝土T型梁模型，桥梁总长120 m，每跨布置6片T型梁，间距2.1 m，每个桥墩布置三个橡胶支座，桥梁下部为双墩结构，T型梁采用C50混凝土，桥墩及盖梁采用C40混凝土，具体设计参数见表1。该桥梁位于市区二级公路，抗震烈度等级为四度，水平向地震震动峰值加速度为0.5 g。

表1 数值模拟橡胶支座参数

在进行数值模拟时，盖梁、桥墩、T梁和横系梁采用梁单元模拟，橡胶支座与桥墩连接方式为弹性连接，分别建立5~40 m共8种不同的桥墩高度来研究不同桥墩高度下，地震荷载对桥墩破坏的影响。桥墩直径为2.0 m，桥墩高度小于10 m的设置横系梁，桥墩高度在15~20 m的设置1道系梁，桥墩高度在25~30 m的设置2道系梁，桥墩高度在35~40 m设置3道系梁，其他参数保持相同。

图1 桥墩高度在5 m的模型示意图

在进行桥墩抗震性能测试时，选择能力需求比来评价其抗震性能。验证内容为在E1和E2地震波作用下桥墩的抗弯和抗剪强度。图2为地震球波波形图。在进行桥墩抗弯和抗剪能力需求比计算时，桥墩抗弯需求值取桥墩截面初始屈服弯矩，即桥墩截面的屈服弯矩强度没有超过设计强度，且桥墩在地震球波作用下整体结构处于弹性变形范围，桥墩的初始屈服弯矩由截面弯矩曲率计算得出。在桥墩进行抗剪强度验算时，由于公路桥梁设计规范没有针对桥墩偏心受压或受拉构件的抗剪计算公式，因此，桥墩截面抗剪计算参照《混凝土结构设计规范》进行验算，其中，桥墩的钢筋与混凝土均按照设计强度取值。

图2 地震球波波形图

表2和表3分别为在不同地震波作用下，桥墩截面在纵桥向和横桥向的抗弯、抗剪能力需求比值表。从表中可以看出桥墩高度从5 m增大到40 m的过程中，抗弯能力需求比和抗剪能力需求比均大于1，桥墩整体处于稳定状态，满足《公路工程抗震设计规范》（JTG004—89）中对桥梁的设防要求，但在《公路桥梁抗震设计细则》（GTG/TB—2008）中提出了两水准设防要求，因此还需要检测桥梁在水准地震作用下的抗弯、抗剪能力需求比是否满足设计要求。

表2 桥墩抗弯强度能力比

表3 桥墩抗剪强度能力比

表4和表5为在E2地震波作用下桥墩截面的抗弯、抗剪强度能力比，桥墩的抗弯强度计算取等效屈服强度，允许桥墩在地震波作用下发生有限破坏，抗弯和抗剪验算参照《公路桥梁抗震设计细则》（GTG/TB—2008），初始轴力取地震动荷载和恒定荷载的组合轴力，桥墩钢筋与混凝土均取设计标准值。

从表4和表5可以看出，在地震波E2作用下，桥墩高度在5~40 m变化时，桥墩底面的纵向抗弯能力需求比均小于1，桥墩高度在5~30 m时，桥墩横桥向抗剪能力需求比也小于1，桥墩处于失稳状态，不满足设计规范要求，因此需要对桥墩进行加固设计。

表4 桥墩抗弯强度能力比

表5 桥墩抗剪强度能力比

综合各桥墩在地震波E1和E2作用下的抗弯和抗剪能力需求比变化，桥墩高度为35 m和40 m时，其抗震性能符合现行规范要求，但在E2地震波的作用下大部分桥墩都不符合《公路桥梁抗震设计细则》（GTG/TB—2008）规定，为了提高桥梁整体的抗震性能，应该对桥墩设计方案进行改进。

3 城市公路桥墩抗震变形研究

通过对近年来混凝土桥墩在地震后破坏特点进行分析，发现在地震波作用下桥墩破坏以剪切破坏为主。现阶段我国对城市混凝土桥墩抗震变形研究[5]主要分为两个方面，第一是预测桥墩在不同地震等级作用下预变形量大小，第二是采用新的桥墩设计方案使桥墩在经受地震后变形处于可控范围内。

针对第一方面抗震变形研究主要集中在桥墩数值模拟技术分析上，在桥墩变形数值模拟时大多采用非线性有限元模型[6]和集中塑性铰模型，为了研究桥墩的抗剪能力还引入了弯剪数值分析模型。国内外很多学者对混凝土桥墩的抗震变形能力进行了试验，发现在地震动荷载作用下影响桥墩变形的因素众多，包括桥墩塑性区箍筋用量、桥墩截面形状、桥墩的跨度比、轴压比以及外力加载路径均会对桥墩破坏形式产生较大影响。对第二方面的主要研究内容是桥墩在塑性铰区的箍筋用量和桥墩在水平动荷载下的抗剪切变形能力。

4 结语

该文通过对我国现行抗震规范的主要内容和改进方向进行了梳理总结，对公路桥梁地震后的破坏形式和特点进行了统计分析。通过数值模拟研究了在不同地震波作用下，桥墩高度改变对桥墩抗弯和抗剪能力的影响，发现在E2地震波作用下桥墩的抗弯和抗剪能力比都不符合规范要求，在后续桥墩设计中可适当增加桥墩塑性区箍筋配置或调整桥梁跨度比来减少地震荷载对桥墩的破坏。