双幅式和单幅式门架桥墩抗震性能对比分析

周 炜

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730030）

中国处于世界两大地震带即环太平洋地震带和亚欧地震带之间，是一个强震多发国家，地震的特点是发生频率高、强度大、分布范围广、伤亡大、灾害严重。公路桥梁是生命线系统工程中的重要组成部分，桥梁结构在地震中的可使用性和完整性，是对整个生命线的有力保证。因此，在工程设计中应加强对桥梁抗震的研究，采取合理的桥梁结构和有效的桥梁抗震措施，保证桥梁结构的安全，减少地震损失。据统计，汶川地震受损桥梁6 140余座，桥梁的震害惨状警示着工程设计人员在桥梁结构设计时必须考虑地震的危害性，特别是山区高速公路桥梁，由于地质复杂多变，地形纵、横向高差大，存在着许多斜坡、陡崖，同时地质上多有崩塌、滑坡等，应更加注重桥梁抗震性能设计[1-2]。

在桥梁设计中，桥梁下部结构应根据山区地形、地质情况，结合桥梁受力，合理布置，做到安全、耐久、适用、经济、美观。现阶段桥梁地震响应分析方法主要有反应谱法，时程分析法[3]，Pushover方法[4-5]，拟静力法等。

1 工程概况

某山区高速公路特大桥，桥梁上部结构采用预应力混凝土小箱梁，桥梁位于双幅式路基段，桥梁上部结构为预应力混凝土小箱梁，先简支后结构连续，下部结构采用双幅四墩柱型式。在桥尾处桥梁横向地形存在陡坡，根据边坡地质地形条件及岸坡稳定性分析成果，拟采用双幅式门架墩和单幅式门架墩2种方案[6]。

方案一为左右幅桥梁方案，62#、63#、64#、65#桥墩采用双幅式门架墩，如图1所示。

图1 双幅式门架墩

方案二为左幅路基右幅桥，右幅62#、63#、65#桥墩加长帽梁变为单幅式门架墩，如图2所示。

图2 单幅式门架墩

双幅式门架墩和单幅式门架墩横断面如图3、图4所示。

图3 双幅式门架墩

图4 单幅式门架墩

双幅式门架墩和单幅式门架墩具体尺寸见表1。

表1 门架墩尺寸单位：m

2 桥梁抗震有限元计算结果及分析

2.1 有限元模型建模

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB 18306—2015），工程区域地震动峰值加速度为0.1 g，反应谱特征周期为0.45 s，桥梁场地类型为Ⅱ类场地。

桥梁结构的抗震性能设计采用两水准设防，两阶段设计的抗震设计思想。第一阶段的抗震设计，采用弹性抗震设计，第二阶段的抗震设计，采用延性抗震设计方法，按能力保护设计计算原则。第一阶段的抗震设计,即对应E1 地震作用[7]的抗震设计。第二阶段的抗震设计，即对应E2 地震作用[8]的抗震设计，保证了结构具有足够的延性能力，通过验算，确保结构的延性能力大于延性需求。通过抗震构造措施设计，确保结构具有足够的位移能力[9]。

本桥梁采用的是装配式结构，根据《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020），确定本桥梁为B 类桥梁。桥梁抗震基本烈度为7 度，设防措施等级为8度等级[10]。

桥梁的设防目标按照《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01—2020）中确定的B类桥梁的抗震设防目标，见表2。

表2 抗震设防目标

采用SAP2000 有限元分析软件建立部分桥梁计算模型，其中主梁、桥墩、桩基和系梁等均采用梁单元进行模拟[11]。支座采用弹簧单元进行模拟。支座的纵向剪切刚度按公路桥梁抗震设计细则中的要求进行计算。为了考虑桩土相互作用[12]，参考该桥的地勘资料，采用M 法计算土弹簧的刚度，选择M动=2×M静进行计算。有限元模型如图5、图6所示。

图5 双幅式门架墩有限元计算模型

图6 单幅式门架墩有限元计算模型

对抗震计算模型进行桥梁动力特性分析，桥梁的前十阶频率见表3所列。

表3 桥梁前十阶振型单位：Hz

2.2 加速度反应谱

桥梁抗震设计采用相关规范规定的设计反应谱。阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱S由式（1）确定：

式中：Tg为特征周期（s）；T为结构自振周期（s）；Smax为水平设计加速度反应谱最大值。

水平设计加速度反应谱最大值由式（2）确定

式中：Ci为抗震重要性系数；Cs为场地系数；Cd为阻尼调整系数；A为水平向设计基本地震动加速度峰值。

桥梁的阻尼取值为5%。

在桥梁具体分析中分别选取了前100 阶阵型，按CQC 法进行组合，地震反应谱曲线如图7、图8所示。

图7 E1地震反应谱曲线

图8 E2地震反应谱曲线

2.3 E1、E2地震分析

根据恒载和地震作用下对各桥墩与最不利受力单柱的控制截面进行弯矩-曲率分析，得出各控制界面的初始屈服弯矩和等效屈服弯矩，进行结构抗震性能验算，墩柱的初始弯矩为截面最外层钢筋首次屈服（考虑相应轴力）时对应的弯矩，等效屈服弯矩为根据截面M-φ分析（考虑相应轴力），把截面M-φ曲线等效为双线性所得到的等效屈服弯矩[13]。

根据表4—表7 可以看出，在E1、E2 地震作用下，桥墩、桩基础的主要截面均基本保持弹性，满足B 类桥梁在E2 地震作用下不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用的抗震设防的目标要求。

表4 双幅式门架墩E1地震作用下墩柱主要截面内力验算表

表5 双幅式门架墩E2地震作用下墩柱主要截面内力验算表

表6 单幅式门架墩E1地震作用下墩柱主要截面内力验算表

表7 单幅式门架墩E2地震作用下墩柱主要截面内力验算表

3 桥梁双幅式门架墩与单幅式门架墩抗震对比分析

E1 地震作用下，桥梁顺桥向、横桥向双幅式门架桥墩弯矩安全系数与单幅式门架墩桥墩弯矩安全系数对比，如图9、图10所示。

图9 顺桥向桥墩弯矩安全系数

图10 横桥向桥墩弯矩安全系数

E2 地震作用下，桥梁顺桥向、横桥向双幅式门架桥墩弯矩安全系数与单幅式门架墩桥墩弯矩安全系数对比，如图11、图12所示。

图11 顺桥向桥墩弯矩安全系数

图12 横桥向桥墩弯矩安全系数

由以上各图可知，在横向陡坡处桥梁，双幅式门架墩桥墩墩高差较小，桥墩在E1 和E2 地震作用下，较单幅式门架墩安全系数更高，抗震效果更好。

4 结语

文章以某山区高速公路特大桥为例，在桥梁横向地形受限的情况下，提出双幅式门架墩和单幅式门架墩方案，采用有限元软件建立了双幅式门架墩、单幅式门架墩空间抗震有限元分析模型，分析了桥梁动力特性，根据桥址区地震动参数，得到桥梁在E1 和E2 地震作用下的时程波，根据桥梁地震反应分析结果，对桥梁墩柱的抗震性能进行了验算，通过能力/需求的对比分析，得出双幅式门架墩和单幅式门架墩均满足结构抗震要求，但从安全储备的角度来看，双幅式门架墩的抗震性能更具优势。