8 度地震區(qū)高速公路橋墩抗震設計分析

陳 浩

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

1 工程概況

1.1 工程簡介

濮陽至菏澤高速公路菏澤段位于山東省西部地區(qū)，是濮陽至陽新高速公路的重要一段，同時也是山東省高速公路路網(wǎng)骨架“七連”中的第七條連接線。濮陽至陽新高速公路菏澤段線路全長66.8 km，全線設有互通立交6 處，服務區(qū)2 處。本項目橋涵結(jié)構(gòu)物眾多，主線橋梁長度占線路總長的9.27%。全線橋梁橋位處地勢平坦、地形開闊，位于高烈度地震區(qū)，且地質(zhì)條件較差，存在地震液化現(xiàn)象。

1.2 技術(shù)標準

設計標準采用時速120 km/h，雙向四車道，整體式路基寬度27 m，分離式路基寬度2×13.5 m。橋梁設計荷載為汽車公路-I 級；橋梁結(jié)構(gòu)設計安全等級為一級。

1.3 自然環(huán)境特點

項目所在區(qū)域位于黃河沖積平原，地勢相對平坦，高差起伏較小，地貌以決口扇形地和緩平坡地為主。不良地質(zhì)主要為地震液化和強震區(qū)。

1.3.1 地震液化

沿線普遍分布的粉土、粉砂、細砂，稍密—中密，飽和。該地區(qū)設防地震烈度為7～8 度，區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度0.15～0.20 g，根據(jù)標準貫入試驗進行液化判別，沿線液化等級輕微—嚴重。

1.3.2 強震區(qū)

根據(jù)《濮陽至陽新高速公路菏澤段工程場地地震安全性評價報告》成果報告，近場區(qū)的活動斷裂主要有聊考斷裂、小宋-解元集斷裂、菏澤斷裂、東明-成武斷裂、鳧山斷裂、單縣斷裂等六條。未來百年區(qū)域地震處于活躍時段的后期，仍存在發(fā)生7級左右地震的可能。

2 橋梁結(jié)構(gòu)設計原則

2.1 上部結(jié)構(gòu)

（1）項目區(qū)域地震動峰值加速度為0.15 g、0.20 g，為方便震后橋梁上部維修工作，主線橋梁上部結(jié)構(gòu)一般采用簡支結(jié)構(gòu)、橋面連續(xù)形式。（2）對于一般的中小跨徑中小橋梁、位于大半徑路段的特大和大橋，橋梁結(jié)構(gòu)形式應考慮標準化設計，以簡化設計和施工，一般橋梁盡可能采用同一種跨徑，對于多孔長橋，橋梁孔徑布置也可采用兩種跨徑組合，并考慮施工工藝的可行性［1］。（3）對于線路標高較低，且主要跨越較小道路及溝槽的橋梁，跨度以13 m、16 m 標準跨徑為主。（4）對于地勢平坦、平均墩高＜10 m 的橋梁，跨度以25 m 標準跨徑為主；地質(zhì)條件較差的情況，跨度以30 m 標準跨徑為主。（5）平曲線半徑較小的橋梁，若采用裝配式標準跨徑，應進行必要的技術(shù)處理，預制梁（板）折線布置，不得出現(xiàn)較嚴重的審美缺陷。也可根據(jù)實際情況選取跨徑小的標準跨徑，但若下部構(gòu)造工程量較大，應與現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)進行技術(shù)經(jīng)濟比較［2］。

2.2 下部結(jié)構(gòu)

2.2.1 橋墩設計

物體集合隱喻既留下了負數(shù)問題，也留下了分數(shù)問題。在總結(jié)物體集合隱喻時，萊考夫說：“對數(shù)的這種理解還留下了缺口：它對2減5或2除以3沒有給出有意義的描述。”[2]65 而對象建構(gòu)隱喻則對分數(shù)隱喻映射作了說明。

一座橋梁應盡量統(tǒng)一橋墩類型，最多不超過兩種，以便施工。橋梁橋位區(qū)域地震烈度較高（0.15 g和0.20 g），針對變寬橋梁，個別采用多柱式結(jié)構(gòu)。橋墩一般采用柱式墩，設計時應根據(jù)跨徑、墩高和地形條件具體情況分別選用不同的樁徑、墩徑［3］。

柱式墩系梁的設置：當墩高＜5 m 時，樁頂一般不設系梁；當5 m ＜墩高＜12 m 時，考慮設置一道地系梁；當墩高＞12 m 時，設置一道中系梁?？紤]到全橋美觀協(xié)調(diào)，中系梁盡量布置在距離蓋梁相同高度處，地系梁原則上設于地面以下。

2.2.2 橋臺設計

結(jié)合線位、地形、地質(zhì)及布跨情況，采用扶壁式、肋板式、薄壁式等橋臺形式。橋臺一般以橋頭路基填土高度8 m 左右控制。當?shù)刭|(zhì)條件較好、橋頭地勢相對平緩時，橋頭填土高度可酌情放寬至8～10 m；當?shù)刭|(zhì)條件很差時，橋頭填土高度不應大于6～8 m。

2.2.3 基礎設計

根據(jù)地質(zhì)、地形條件，選擇合適的擴大基礎或樁基礎。為了更好地保護自然地貌，避免大面積開挖，較陡邊坡上不宜選用擴大基礎。對于水下基礎，應綜合考慮水文地質(zhì)條件和施工工藝等，選取合理的基礎形式。位于陡坡上的樁基礎，樁長設計時應考慮斜坡的影響。不可避免位于河道、溝槽內(nèi)的樁基，樁長設計應考慮沖刷的影響。

3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算

橋梁上部結(jié)構(gòu)主要采用13 m、16 m 空心板和25 m 小箱梁，下部結(jié)構(gòu)主要采用樁柱式橋墩。以三跨16 m 簡支空心板梁為例，橋墩形式采用雙柱式橋墩，墩身直徑1.2 m，墩高5 m，樁徑1.4 m，樁長44 m。首先采用Midas 軟件建立橋梁有限元模型，采用地震反應譜法，對E1 和E2 地震作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行分析計算?？招陌逵邢拊Ｐ鸵妶D1。

圖1 空心板有限元模型

根據(jù)《公路橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T 2231-01—2020，以下簡稱規(guī)范）［4］，由于本橋地基內(nèi)有液化土層，應根據(jù)液化抵抗系數(shù)，對液化土層的承載力（包括樁側(cè)摩阻力）、地基系數(shù)進行折減。結(jié)構(gòu)在E1 地震力組合下產(chǎn)生的縱橋向彎矩和橫橋向彎矩見圖2、圖3，在E2 地震力組合下產(chǎn)生的縱橋向彎矩和橫橋向彎矩見圖4、圖5［5］。

圖2 E1 地震力組合下順橋向彎矩My/（kN·m）

圖3 E1 地震力組合下橫橋向彎矩Mz/（kN·m）

圖4 E2 地震力組合下順橋向彎矩My/（kN·m）

圖5 E2 地震力組合下橫橋向彎矩Mz/（kN·m）

4 E1 地震下橋墩抗震設計

為滿足8 度地震區(qū)橋梁抗震設計要求，橋墩主筋采用24 根Φ25 mm 鋼筋，箍筋采用Φ10 mm 鋼筋雙肢并繞加密，箍筋間距10 cm。采用Midas Civil 進行RC 橋墩抗震設計分析。

根據(jù)抗震設計有關(guān)要求，E1 地震作用下，橋墩的抗彎剛度均按毛截面計算，需進行橋墩墩身強度驗算。由表1 可以看出，在E1 地震作用下橋墩單元的軸力和偏心彎矩均小于其抗力，結(jié)構(gòu)處于彈性狀態(tài)，故E1 地震下橋墩的墩身強度滿足規(guī)范［4］要求。

表1 E1 地震力組合下橋墩單元強度驗算

5 E2 地震下橋墩抗震設計

根據(jù)抗震設計有關(guān)要求，E2 地震作用下，橋墩的截面抗彎剛度需進行折減，按有效截面抗彎剛度進行計算［6］。如果結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，需對橋墩墩身強度和墩頂位移進行驗算；如果結(jié)構(gòu)進入塑性狀態(tài)，需對橋墩塑性鉸抗剪和墩頂位移進行驗算。

5.1 E2 地震下橋墩強度驗算

由表2 可以看出，在E2 地震作用下，橋墩958號單元和959 號單元在荷載組合4 下的偏心彎矩大于其抗力，橋墩墩身強度不滿足要求，即橋墩在E2地震作用進入塑性，故需對墩頂位移和塑性鉸抗剪進行驗算。

表2 E2 地震力組合下橋墩單元強度驗算

5.2 墩頂橫向容許位移計算

對于雙柱式墩，在計算橋墩橫向容許位移時，首先建立橋墩-蓋梁計算模型，然后給蓋梁施加一個假定的橫向水平力F，再對結(jié)構(gòu)體系進行非線性靜力分析。墩柱的塑性鉸區(qū)域一般為墩頂或墩底，當墩頂（底）的任一塑性鉸區(qū)域達到最大容許轉(zhuǎn)角或墩頂（底）控制截面達到最大容許曲率時，蓋梁的橫向水平位移為容許位移。采用Pushover 程序計算墩頂橫向容許位移，假定橋墩進入塑性，在考慮初始荷載的情況下，根據(jù)設定的推倒方式（橫向水平力），逐級加載，控制墩頂（底）截面的任一塑性鉸達到最大容許曲率，此時的橫向位移為最大容許位移［7］。

5.3 墩頂位移驗算

E2 地震作用下，橋墩順橋向和橫橋向墩頂位移需滿足：

式中：Δd—E2 地震下的墩頂位移，m；Δu—橋墩容許位移，m。

采用Midas 建立有限元模型，采用Pushover 程序計算墩頂橫向容許位移，計算結(jié)果見表3。

表3 E2 地震力下橋墩墩頂位移驗算

由表3 計算結(jié)果可知，E2 地震作用下橋墩的墩頂位移滿足規(guī)范［4］要求。

5.4 塑性鉸抗剪驗算

由表4 計算結(jié)果可知，E2 地震作用下，橋墩塑性鉸區(qū)剪力值均小于其抗力值，故塑性鉸抗剪強度滿足規(guī)范［4］要求。

表4 E2 地震力下橋墩塑性鉸抗剪強度驗算

6 結(jié)語

按照提出的8 度區(qū)橋墩配筋設計方式，即墩身主筋采用24 根Φ25 mm 鋼筋，箍筋采用Φ10 mm的鋼筋雙肢并繞加密，箍筋間距采用10 cm。采用Pushover 分析方法，在E1 地震作用下橋墩處于彈性狀態(tài)，墩身強度滿足規(guī)范［4］相關(guān)要求；在E2 地震作用下橋墩局部將進入塑性狀態(tài)，墩頂位移和塑性鉸抗剪強度均能滿足規(guī)范［4］要求。